世界で最も正確な時計: セシウム原子時計の 100 倍の精度

コロラド州ボルダーに隣接する山々のふもとにある国立科学技術研究所の研究室には、世界で最も正確な時計が置かれている。

この時計は他の原子時計をしのぐほどの精度を誇り、製作者たちは最近になって2番目のバージョンを作るまでその精度を測定できなかった。しかし今では、2つの時計を比較できるようになり、時計の精度を表す数値が導き出された。時計物理学者はこれを時計の安定性と呼んでいる。

「クロックの安定性とは、この分野で使われる用語で、基本的には、時計の刻み具合を見て、その刻み具合が時間の経過とともにどれだけ変化するかを指します」と、NISTボルダー校の物理学者で、同研究所の原子時計の改良に取り組んでいるアンドリュー・ラドロー氏は、ポピュラーサイエンス誌に語っている。「理想的には、すべての刻みがまったく同じであることが望まれます。」

NIST ボルダー時計の不安定性は 10-18 分の 1 です。これは、国際政府が完璧な秒を定義するために使用する最高級のセシウム原子時計よりも約 100 倍安定しています。また、クォーツ腕時計よりも約 100 億倍安定しています。

「これらの時計は重力場を非常に注意深く測定できる」とラドロー氏は言う。

NIST ボルダー時計は、セシウム原子時計で使用されている技術より 1 世代進んだ技術で作られています。希土類元素であるイッテルビウムの原子を使用していますが、世界中の他の次世代時計では、ストロンチウムや水銀など他の元素が使用されています。

これらの次世代の時計は、基礎物理学における非常に興味深い効果を測定するために使用できます。たとえば、アインシュタインの相対性理論は、実験的に証明するのが非常に困難でした。NASA の衛星は、2011 年に地球の周りの空間と時間の歪みを測定しました。しかし、次世代の原子時計は、地球上で相対性理論の効果を測定できます。

相対性理論によれば、強い重力場では時間が遅くなるはずだ。NIST ボルダーのような時計は、その遅れを検知できるはずだ…そしてその遅れが地球上の場所によって異なるかどうかも検知できるはずだ。「これらの時計は重力場を非常に正確に測定できます」とラドロー氏は言う。「これにより、ある地域の重力場を地図に描くことができます。」

しかし、ラドローの原子時計は大きすぎて壊れやすいため、実験のためにどこかへ持ち運ぶことはできない。そのため、実際に何かを測定するために使われることはあまりない。米国政府は、実験用のより頑丈で持ち運び可能な原子時計の開発に取り組むために NIST に資金を提供しているとラドローは言う。より持ち運び可能な原子時計を宇宙に送り、そこで物理学の実験を行うこともできるだろう。

NIST の時計は光格子時計です。つまり、約 10,000 個のイッテルビウム原子を所定の位置に保持する強力なレーザー場を備えています。別のレーザーが原子を励起し、その動きによって時計は時間を計測します。レーザーで原子を励起すると、セシウム原子時計の原子よりも高い周波数で原子が振動します。そのため、光格子時計はより速く進み、より正確な時間単位を刻むことができます。時計にこれほど多くの原子があると、1 つの原子からの不確実性を平均化するのに役立ちます。

つまり、NIST のイッテルビウム光格子時計は世界で最も正確であり、この記録は Ludlow 氏と彼の同僚が本日Science誌の論文で発表したものだ。では、精度、つまり実際の時間に対する時計の時間の測定はどうだろうか。時計の精度を測定するために、科学者は温度の変化やレーザー格子が原子に与える影響など、時計の原子を変化させる可能性のある世界中のあらゆるものを測定しようとしている。

ラドロー氏と彼のチームがイッテルビウム原子時計でこの実験を行ったのは 2009 年が最後で、そのとき彼らはイッテルビウム原子時計がセシウム原子時計と同程度の精度であることを確認しました。現在、彼らは再び精度の測定に取り組んでいます。世界で最も正確な原子時計は、やはり NIST ボルダーにあり、アルミニウム量子論理イオン時計と呼ばれています。