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。

 

宇宙と生命

 火星に探査機キュリオシティーを送り込み、初の地球外生命の発見を目指していたNASA(米航空宇宙局)は、先日、「火星には現在生物が棲息している可能性は低い」と発表した。火星表面の大気から生命が存在するなら観測されるはずのメタンが検出できなかったからだ。過去には存在したかも知れないということだが、今回の結果は多くの研究者を失望させたに違いない。 

 現在、地球外生命に対しては相反する2つの仮説が存在する。一つは、宇宙広しといえども生命は地球にしか存在しないというもの。もう一つは、この宇宙の至る所に生命が存在するというものだ。

 前者の根拠は以下の通りだ。生物は無生物からは生まれない。となると最初の生命はどのように誕生したのか。生命の最小単位は細胞だが、化学反応で細胞が自然に生まれるとは考えにくい。事実、この地球においても現存するあらゆる生命は最初に現れた一つの細胞から進化して枝分かれしたもので、その後数十億年にわたり新たな細胞が発生した形跡はないのである。生命がそう簡単に誕生するものでないことは明らかで、そもそもこの地球に生命が存在すること自体が奇跡的なことなのだ。

 一方、とにもかくにもわれわれ生命は存在しているのだから、この宇宙のどこかで生命が誕生したことは確かだ。それが地球である必要はない。宇宙のどこかで生まれた生命、あるいはその元となるものは宇宙をさまよっており、さまざまな環境に降り立ち独自の進化を遂げているのではないか。もしそうだとすれば、生命は宇宙のいたるところにいる可能性がある。

 最近の研究から、生命は想像以上に過酷な環境にも適応できることがわかってきた。宇宙から飛来した生命が進化するだけで良いなら、火星に生命が存在する確率はぐっと高くなる。火星で最初の地球外生命を発見できるのではないかという期待は、近年、急速に高まっていたのである。

 ところで、地球に最初の生命が誕生したのは37億年程前だとされている。これは宇宙の年齢137億年に比べても決して短い時間ではない。さらにこの生命の元が地球外から来たとすれば、その歴史はさらに過去に遡ることになる。初期の宇宙で生命の元が生まれたとすれば、生命の誕生と進化はこの宇宙が存在する主要な目的なのかもしれない。

 そもそも、もし宇宙に生命がいなければ、この宇宙を認識するものはいない。誰にも知られることがなければ、宇宙はいったい何のために存在しているのだろうか。「存在」とは、認識されて初めて成り立つものではないだろうか。この宇宙が「存在」するためには自らを認識してくれる生命というものがどうしても必要なのではないだろうか。

 最初の生命はいかにして生まれたのか。もしそれが宇宙自体の存在の意味に関わっているとしたら、その謎は簡単には解けそうもない。

加速する宇宙

宇宙がビッグバンで始まったという説は今では広く知られるようになり、疑いのない事実だと思い込んでいる人も多い。しかし、広大な宇宙がわれわれのごとき宇宙の片隅の生物に簡単にその神秘の姿を明かすことなどあり得るだろうか。

ビッグバン宇宙論の根拠となっているのは、1929年にアメリカの天文学者ハッブルが発見した「地球から遠い天体ほどその距離に比例して速く遠ざかっている」という事実である。彼はその結果を元に宇宙の膨張を提唱した。膨張している以上、かつての宇宙はもっと小さかったはずだ。そこで宇宙がある一点から爆発して始まったと仮定してみると、さまざまな観測データがうまく説明できたのである。

そうなると、膨張を続ける宇宙が将来どうなっていくのかという疑問が生ずる。膨張がビッグバンの爆発の勢いだけで続いているとすれば、重力の影響でその勢いは次第に衰えていくはずである。その結果、2つのケースが予想される。一つは、爆発の勢いが非常に強く、宇宙は速度を落としながらも永久に膨張を続け拡散していってしまうというもの。もう一つは、上に向かって投げたボールがそのうちに落ちてくるように、いつかは重力が勝って膨張は止まり収縮に転ずるというものだ。

このいずれが起きるのかを確かめるためには、宇宙の果てにある天体までの距離と速度を正確に測る必要があった。しかしこれには高度な観測技術が要求され、長い間、いずれが正しいのかわからなかった。だが、21世紀に入りいよいよ決着がつく日が来た。しかしながら、その結果は意外なものだった。膨張は減速するどころか、加速していたのである。

これは上に投げたボールがどんどん加速していくようなもので、重力だけでは説明がつかない。加速するということはすなわちエネルギーが増しているわけで、各天体はどこからかエネルギーをもらってこなければならない。宇宙を加速させるほどだからそのエネルギーは莫大で、何と従来考えられてきた宇宙の全エネルギーよりも大きいと推定されたのだ。従来の理論は全く役に立たない。宇宙物理学者達は困り果て、そのエネルギーに「ダークエネルギー」というミステリアスな名前をつけることしかできなかったのだ。

宇宙の加速がもたらした衝撃は宇宙論に留まらない。物質の根源を解明する理論、素粒子論に対してもその根底を揺るがす発見だった。なぜなら、素粒子はビッグバン以降の宇宙の膨張の過程で生成されたものであり、宇宙を構成する材料そのものだからである。素粒子論と宇宙論は切っても切れないのだ。多くの素粒子物理学者の間には自分達はこれまで何をやってきたのだろうかという虚無感すら広がった。この数十年間、物理学者が努力して築き上げてきた理論が砂上の楼閣のように崩れ去りかねない事態となったのだ。

かつてニュートンは「自分の前には手も触れられていない心理の大海原が広がっている」と語った。その謙虚さに比べ現代の科学者たちは自らの理論は宇宙の果てまでも説明できると考えてきた。しかし、宇宙はそうした驕りをあざ笑うかのように加速し続けている。