時空の歪みさえも計測できる超高精度な原子時計うまれる

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  • author Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US
  • [原文]
  • satomi
時空の歪みさえも計測できる超高精度な原子時計うまれる
Photo: Phillips/NIST

キログラムの130年ぶりの再定義が話題ですが、時の世界でも、この世のものならぬ精度の原子時計ができた模様です。

時間だけは平等といわれますけど、厳密には人はみな平等に時間を経験しているわけではありません。大質量で重力の強いもののそばは、時間の進みが遅い。これはアルベルト・アインシュタインの理論でよく知られている現象です。重力は質量が空間を歪めて起こる現象なので、時計の精度を極限まで高めていけば、空間に及ぼす歪みを計測することも可能ということになります。

振り子の代わりは電子のジャンプ

「今回論文で発表したのは人類が地表で現象を測定する現存能力を理論的に超える2つの時計です」と米Gizmodoに語るのは、米国立標準技術研究所(NIST)の物理学者アンドリュー・ラドロー博士です。

時計は、いわば反復運動をカウントすることで時間の流れを計測する道具に過ぎません。反復運動は、ある時は振り子であり、原子の振動である。今回の研究で使われた光格子時計も、原理は同じなんですけど、つくり方はやや複雑です。

まず実験ではレーザーを使って原子を補足するフィールドを作ります。これはカップを並べたようなもの。で、ここに数千個ものイッテルビウム原子を入れ、どんぴしゃの周波数のレーザーを当てると、電子が2つのエネルギー準位の間を行ったり来たりジャンプ(遷移)します。1秒に千兆回近くも、おそろしい勢いで。 ただ回数が多いだけで、ジャンプする回数は一定不変と決まっています。 レーザーを一定周波数に合わせて振動をスタートすると、 これが別のコンポーネント(光周波数コム)に伝わって、これが時計の歯車の役割を果たす。つまりレーザーに込められた情報がシグナルに変わって、電子はそれを利用してカチカチ時を刻むというわけですね~はい~。

「ずれません」と言っても過言じゃない!

で、この周波数の精度が半端なく細かいため、これを使えば、重力が時を歪める度合いまで正確に計測できる、とNatureに掲載中の論文では言っているんですね。どれくらいの精度かというと、今回開発したイッテルビウム光格子時計2つのイッテルビウムの共鳴周波数のずれは10のマイナス18乗、2つの時計の周波数のずれは10のマイナス19乗、周波数の相対的な誤差は最大3.2×10のマイナス19乗というものでした。なんだかよくわかりませんが、これだけの精度だと、1秒のずれが生じるのに宇宙の年齢(138億年)より長い年月がかかる計算になるんだそうですよ? 宇宙の年齢ですよ、みなさん、宇宙の年齢!!!!

しかも、地球の重力が時を歪める様子も計測が可能なので、地球の重力場のどの位置にあるかを1cm以内の精度で検出できちゃうらしく、これは最新鋭の全地球観測システムに比べてもまだ高精度なんだとか。ラドロー博士は、まだ2つの時計を別々の場所に離して計測する実験は行なっていないと言っています。もし行ったら、きっと山のてっぺんの時計は進みが早くなるんじゃないでしょうか。標高が高いほど重力は少し弱まるので。

闇を照らす時計となるやも?

最強の原子時計を開発する取り組みは世界中で行なわれていますので(日本産総研の最新発表はこちら)、最新の実験結果に過ぎませんが、すばらしい成果だねと、ネバダ大学の理論物理学者のAndrei Derevianko博士(実験とは無関係ですが、 この種の時計の理論研究実績あり)は評価しています。これだけの精度の時計はまだ「キラーな応用」を模索中の段階だけどね、と米Gizmodoからの取材に語ってくれました。

いちおう物理学の世界ではすでに応用も話し合われており、特に熱い注目を集めているのが、ダークマター探しです。肉眼でも天体望遠鏡でも検出不能なのに全宇宙に重力のフォースをおよぼす闇。この時計をもってすれば、時空を歪める様子からダークマターもついに検出できるのではないかと期待がもたれているのです。きゃークール!

遅刻の理由に使いたい

もしかしたら、重力波と呼ばれる、時空の歪みを伝える波も検出できるかもしれないし、原子時計もそろそろ宇宙空間に飛ばして、地球重力の影響を受けないところで実験を行なう段階なのかもしれませんね。よくわかりませんが。

あ、いや…手首に巻きつけたり、壁に掛けたりできる時計じゃないですよ! まだ実験台の上です。でもこれが腕時計になったら、「あーごめん遅刻したー、ここの重力ポテンシャルやたら高くてさー」という楽しいことになりそうで胸熱ですね。

Source: Nature

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