新しいタイプの時計が時間の計測方法を変えるかもしれない

一体誰が何時にいるのか考えたことがありますか？この抽象的な概念の測定は、世界中に点在する約 500 台の原子時計（1 京分の 1 秒の精度）によって主に決定されます。これらの機械は、過去半世紀の大半にわたって標準的な時間計測装置として使用されてきました。原子の振動を測定することで動作します。原子の振動については、こちらで詳しく読むことができます。

しかし、原子時計が重要だった時代は終わりに近づいているかもしれない。ドイツの研究者らが、光時計を使って比類のない精度で時刻を知らせる新しい方法を発表した。その研究結果は、米国光学会の雑誌「オプティカ」に掲載されている。

すべての時計は、一定の周波数で常に繰り返されるイベントを数えることで機能します。グランドファーザー クロックの場合、これは振り子の揺れです。GPS ナビゲーション、通信システム、電力網、金融ネットワークが依存する現在のグローバルな計時ネットワークを構成するマイクロ波原子時計の場合、これはセシウム原子の振動です。セシウム原子は、電磁スペクトルのマイクロ波領域内の周波数で自然に揺れます。国際単位系で定義されている 1 秒は、セシウムの揺れによって生成されるこのマイクロ波信号の 9,191,631,770 サイクルの間に経過する時間です。

光時計はマイクロ波原子時計とほぼ同じように機能しますが、電磁スペクトルの可視部分でセシウムの 10 万倍の周波数で振動する原子またはイオンを測定します。そのため「光」という名前が付けられています。光時計が原子時計よりもはるかに正確である理由は、これらの振動が高速であるため、時計の「時を刻む」速度が速くなるためです。光時計は長い間原子時計よりも正確でしたが、測定間のダウンタイムが長いため、棚上げされていました。

ドイツ国立計量研究所の研究者たちは、光時計と「メーザー」を組み合わせることでこれらの問題を回避しました。メーザーとは、マイクロ波スペクトル範囲で動作するレーザーのような装置です。メーザーのマイクロ波周波数は、周波数コムと呼ばれる特殊な装置によって分割され、光時計の「刻み」の速度と一致します。メーザーは振り子のように動作し、休止時間中も光時計を動かし続けます。

チームの主任研究員であるクリスチャン・グレビング氏はプレスリリースで、「光時計が停止している間、メーザーは独自に安定して動作する」と述べている。

これは画期的なことですが、光時計を実際に私たちのインフラに組み込むには、文字通り秒の定義をやり直す必要があります。それでも、グレビング氏と彼のチームは、光時計とその周波数を現在の秒の定義と比較し、この計時機械がこれまでに達成されたどの時計よりも不確実性が低いことを解明しました。この時計は、140億年、つまり宇宙が誕生してからずっと動き続けても、100秒しかずれません。

「現代の光時計はダウンタイムがあっても、計時精度を向上させることができることを実証した」とグレビング氏は語った。