科学者たちは「秒」をより精密に再定義しようとしています。
より正確な時計は、地球の地殻にかかる応力や、遠方のブラックホールが発生させる重力波を捉える助けになり得ます。
フォトニクス・量子科学教授のベン・マーディン氏が、その実現方法を解説します。
誰もが時刻を知る必要があります。17世紀にオランダの発明家クリスティアーン・ホイヘンスが初の振り子時計を作って以来、人々はより正確に時間を計測する良い理由を考え続けてきました。
正確な時刻を知ることは、鉄道の運行からストックマーケットでのミリ秒単位の取引まで、さまざまな面で重要です。現在、私たちのほとんどの時計は、全地球測位システム（GPS）衛星に搭載されているものなど、原子時計からの信号と照合して自己補正しています。
しかし最近の研究（コロラド州ボルダーの二つの科学者チームによる）により、それらの信号が大幅に正確になる可能性があり、事実上「秒」をより精密に再定義できる道が開かれるかもしれません。実際、原子時計はこれほど正確になり得るため、従来は検出できなかった重力波を計測し始められる可能性もあります。
時間の簡単な歴史
現代の時計は、今もホイヘンスの基本的な発想を用いています。すなわち、共鳴をもつ振動子です。一定の長さの振り子が常に同じ振動数で往復運動をするように、あるいは特定の音色で鳴る鐘のように。この発想は18世紀にジョン・ハリソンによって大きく改良されました。彼は、より小さく振動数の高い振動子ほど安定した純粋な共鳴を示し、時計の信頼性を高めることに気づいたのです。
今日、ほとんどの身近な時計は、小型の音叉のような形をした水晶片を用いており、非常に高い振動数と安定性を備えています。過去百年でこの時計の設計はあまり変わっていませんが、より安価で再現性の高いものを作る技術は向上しています。
近年の大きな違いは、水晶時計を確認する――つまり「ディシプリン（校正）」する――方法にあります。1955年までは、太陽や木星の衛星など、非常に規則的な天文現象と照合して時計を補正し続ける必要がありました。現在では、原子内部の自然振動に照らして時計をディシプリンしています。
原子時計は、ルイス・エッセンによって初めて製作されました。1967年に「秒」の再定義に用いられ、その定義は以来変わっていません。
これは、セシウム原子の電子におけるスピンと呼ばれる量子的性質の反転頻度を数えることで動作します。この自然の原子共鳴は非常に鋭いため、水晶時計の信号が周波数的にずれた場合、そのずれが10¹⁵分の1未満であっても検出できます。これは十億分の一の百万分の一です。1秒は公式には、9,192,631,770回のセシウム電子スピン反転として定義されています。
このように原子時計で周波数と時間を精密に制御できるため、周波数と時間は、あらゆる物理量の中で最も精密に計測される量となっています。原子時計からの信号は世界中に、またGPSを通じて宇宙にも発信されています。携帯電話にGPS受信機を備えている人は誰でも、驚くほど正確な時刻計測機器を利用できます。
時間と周波数を正確に計測できれば、他にも様々なものを正確に計測することができます。例えば、特定の原子や分子のスピン反転周波数を計測すると、それらが受ける磁場の強さがわかります。したがって、周波数を正確に求められれば、磁場の強さも正確に求められるのです。可能な限り小型の磁場センサーはこの原理で動作しています。
では、周波数や時間をさらに精密に計測できる、より優れた時計を作ることはできるのでしょうか。その答えは、ジョン・ハリソンが見出したように、周波数を高めることにあるのかもしれません。
セシウムのスピン反転共鳴は、マイクロ波に相当する周波数を持ちますが、一部の原子は光学光に対して鋭い共鳴を持ち、その周波数は百万倍高くなります。光学原子時計は、わずか数メートルしか離さずに置いた二つの時計どうしで、極めて安定した比較結果を示してきました。
科学者たちは、「秒」の国際的定義を、より精密になるように再定義できるかどうかを検討しています。しかしそれを実現するには、精密に時刻を保つために用いる異なる光学時計が、たとえ異なる研究所に置かれ、数千マイル離れていても同じ時刻を示すと信頼できる必要があります。これまでのところ、そのような長距離試験の精度は、あまり良くなく、マイクロ波時計の場合と大差ありません。
より良い時計
さて、時計同士を結びつける新しい方法として、超高速レーザーを用いることで、研究者たちは、異なる種類の光学原子時計を数キロメートル離して配置しても、10¹⁸分の1以内で一致することを示しました。これは、同一の時計のペアを数百メートル離して用いた以前の計測と同等ですが、約100倍精密です。以前は、異なる時計や長距離の条件で達成されていた精度よりもはるかに高い水準です。
新しい研究の著者らは、イッテルビウム、アルミニウム、ストロンチウムという異なる種類の原子に基づく複数の時計を比較しました。ストロンチウム時計はコロラド大学に置かれ、他の二つは道を隔てた先にある米国国立標準技術研究所（NIST）にありました。
本研究では、建物から建物へ、空気中を通るレーザービームで1.5km以上にわたって時計を接続しました。この接続は、空気の乱れにもかかわらず、道路の下に敷設された光ファイバーと同等に機能することが示されました。
では、なぜそれほど正確な時計が必要なのでしょうか。時計内の原子は、どこに置かれても、誰が見ても全く同じであるはずですが、時間の計測があまりに精密になると、わずかながら有用な差が現れ得るのです。
アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力は時空を歪ませ、私たちはこの歪みを計測できます。光学時計は既に、高さをわずか1センチメートル動かすことで生じる地球の重力場の差を検出するために用いられています。
より正確な時計があれば、地球の地殻の応力の緩やかな変化を感知し、火山噴火を予測できるかもしれません。遠方のブラックホール同士の合体によって生じる重力波はすでに観測されています。より穏やかな事象から生じる、はるかに弱い波を、光学時計を搭載した一対の衛星を用いて検出できるようになるかもしれません。
