原子時計

 先日、高校の同窓会で原子時計を研究している同窓生に会った。われわれが普段、何気なく用いている1秒や1時間という単位は、元々地球の自転周期を何等分かしたものだが、その後、地球の自転周期には変動があることがわかり、1967年以降は原子時計による原子時が基準となっている。 

 現在、正確な時計には例外なく何らかの周期的な現象が使われている。最初に時計に利用された周期的な現象は振り子である。振り子時計はゼンマイを動力として振り子が1回触れるごとに歯車が決まった角度だけ回転しそれで針を動かすことができるようにしたものだ。

 振り子の揺れる周期は振り子の長さだけによって決まり、揺れ幅やおもりの重さには依存しないため、周期の調節が楽で使い勝手がいい。だが、持ち運びには不便だ。

 そこで懐中時計や腕時計では振り子の代わりに渦巻き状のバネにつけられたテンプと呼ばれる輪っかの往復回転運動を用いる。振り子やテンプの周期は数秒から0.1秒程度なので、それを用いて測定できる最短の時間もその程度である。

 こうした機械式時計に比べて大幅に精度を高めたのが水晶振動子を用いたクォーツ時計だ。薄い水晶の板に交流電圧をかけるとある周期の時に共振が起きる。この周期を電気的に検出して振り子の代わりに使う。クォーツ時計の水晶振動子の周期は32,768分の1秒と短く、機械式時計に比べてはるかに短い時間を測ることができる。また電気的に信号を取り出すため誤差が少なく精度も大幅に上がった。

 さらに精度が高いのが原子時計で、現時点では最も正確な時計である。セシウム原子にマイクロ波(光の波長を長くしたもの)を照射すると、マイクロ波の振動が1秒間に9192631770回になった時、セシウム原子がマイクロ波のエネルギーを吸収し共鳴が起きる。その時のマイクロ波の振動を振り子の代わりとして用いることで、原子時計では数千万年に1秒という高い精度が得られている。

 それにしてもそれほど正確な時計を必要とする場合があるのだろうか。距離、質量、時間というのは最も基本的な3つの物理量だ。その中で今では時間の測定精度が最も高い。そこで距離の測定にも時計が用いられている。アインシュタインの光速不変の原理により光の速度は常に一定だ。そこで光が進んだ時間を測れば、その距離が正確にわかるわけである。

 カーナビやスマホで自分がどこにいるか知るために使われているGPSGlobal Positioning System)では、まさにその技術が使われている。GPSでは最低3つの人工衛星からの電波(光と同じ電磁波の一種)をカーナビが受診するまでの時間を衛星に搭載された原子時計で測りそれぞれの衛星までの距離を求めてそこから位置を割り出しているのだ。カーナビの技術は原子時計によって成り立っているのだ。

 かつて振り子時計の発明により天体観測の精度が上がりニュートン力学の誕生につながったが、現在も時計の進歩はさまざまな分野で科学技術を支える鍵となっているのである。

 

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