ビッグニュース！ 「ノーベル賞を保留した」と噂されるこの核時計とは一体何者なのか？

制作：中国科学普及協会

著者: 李華東 (理論物理学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

おそらく、物理学者を除けば、「1秒」の定義にこれほどこだわる人はいないだろう。

2024年9月4日、ネイチャー誌は「トリウム229m異性体の核遷移とストロンチウム87原子時計の周波数比」と題する表紙論文を発表しました。

自然カバー

(画像出典: Nature)

同日、サイエンス誌の公式サイトは、この成果を「超高精度の原子核時計を新たな時代へ導く画期的な成果」と評する解説記事を掲載した。一部のネットユーザーは、この成果により、論文の著者であるコロラド大学のイェ・ジュン氏（チーム）が将来ノーベル物理学賞を受賞するのではないかとさえ主張した。

では、トップジャーナル「ネイチャー」と「サイエンス」の2誌が共同で推奨できる研究とは、どのような研究なのでしょうか？この「核時計」とは何でしょうか? 「1秒」の定義にどのような違いが生じるのでしょうか?

1 日の 1/86400 である「1 秒」をどのように定義しますか?

一般の人々にとって、1 秒は時計の秒針が 1 つのグリッドを通過するのにかかる時間です。 60マス歩くと1分経過します。 3,600マス歩くと1時間経過します。 86,400マス歩くと1日が経過します。

すべてがとても自然に思えるのは、地球がこのように自転し、公転しているからです。1日が過ぎると、太陽はまた同じ場所を向きます。86,400秒というのは、まさにそのくらいの長さです。

地球は太陽の周りを回っているため、その日に太陽を直接受ける位置Aは、地球が1回転（23時間56分、恒星日）した後、再び太陽を直接受けるようになるまで、地球が一定角度（4分）回転するのを待たなければなりません。合計時間は 24 時間 (太陽日) です。

(画像提供: ルネッサンス・ユニバーサル)

しかし問題は、潮汐力、太陽の質量の変化、他の天体の重力などの要因により、地球の自転周期と公転周期の変化が、極めて小さいながらも存在するということです。

人々が「日」で定義する「1秒の長さ」は、必ずしもそれほど長いわけではないようです。

そこで、20 世紀に、マクロからミクロへ、古典から量子へと移行する科学の東風に乗って、物理学者は、天体の動きよりもはるかに安定した超「時計」が自然界に存在することを発見しました。

これによって定義される秒は、セシウム 133 原子が基底状態の 2 つの超微細エネルギー レベル間を遷移するときに放射される電磁波の周期の 9,192,631,770 倍であり、一般の人には理解しにくいため、ほとんど「鳥の言葉」のようなものです。しかし、物理学者にとっては、空間と時間の特性を研究するための強力なツールとなっています。

結局のところ、地球によって引き起こされる重力赤方偏移を非常に近い距離で測定したいと思わない人がいるでしょうか?

[読書のヒント: 重力赤方偏移現象]

重力赤方偏移とは、重力場の存在により、重力場から放射される光やその他の電磁放射の周波数が重力場から離れるにつれて低下し、波長が長くなり、スペクトルの赤い端に向かって移動する現象を指します。これはアインシュタインの一般相対性理論によって予言された現象の一つです。重力赤方偏移が観測されれば、それは一般相対性理論の強力な検証となるでしょう。

しかし、地球の重力場は比較的弱いため、近距離では赤方偏移の影響は非常に小さくなります。実験室環境では、非常に精密な機器を使用しても、このような小さな変化を検出することは困難です。したがって、これは多くの科学者が解決しようとしている問題でもあります。

原子時計と光時計の方が正確です！しかし、最も正確なのは?

2022年2月17日、ネイチャー誌の表紙論文「ミリメートルスケールの原子サンプルにわたる重力赤方偏移の解明」では、高さの差がわずか1mmであっても、時間の経過の違いを測定できると述べられています。

自然カバー

論文の著者であるコロラド大学のイェ・ジュン氏のチームは、厚さ1mmのストロンチウム87クラスター（約10万個の原子）の遷移周波数を測定し、上部と下部の原子の遷移周波数が約1兆分の1異なることを発見した。

この値は、今から 3000 億年後には、上層の原子は下層の原子よりも 1 秒多く時間を経験することを意味します。一般相対性理論によって予測された重力赤方偏移効果を人類がミリメートルスケールで検証したのはこれが初めてです。

原子が高ければ高いほど、重力赤方偏移はより激しくなり、かかる時間はより長く/より速くなります。

(画像出典: Wikipedia)

このすべての前提は、単位時間、つまり「1 秒」の定義が、最小の時間差を区別できるほど正確であるということです。

前述のように、セシウム133原子が2つの超微細エネルギーレベル間を遷移するときに放射される電磁波（マイクロ波）の周期の9,192,631,770倍が1秒です。セシウム 133 の遷移周波数に基づいて、Ye Jun 氏のチームが使用したスト​​ロンチウム 87 も定義に使用できます。

1 秒は、ストロンチウム 87 原子が 5s² ¹S₀ と 5s5p ³P₀ のエネルギー レベル間を遷移するときに放射される電磁波 (可視光) の周期の 429,228,004,229,873.4 倍です。

少し複雑に思えますが、あまり心配する必要はありません。原子内の電子が異なるエネルギーレベル間を遷移するときに、電磁波が放出されることを知っておくだけで十分です。電磁波の周波数は、遷移の初期状態と最終状態のエネルギー レベルにのみ関連します。非常に安定しているため、物理学者がタイミングに使用する第一の選択肢となっています。

電子が異なるエネルギーレベル間を移動するとき、特定の周波数（エネルギー）の電磁波を放出します。

(画像出典: Wikipedia)

タイミング装置に使用されている原子が遷移時に放出する電磁波がマイクロ波帯域にある場合、それは原子時計です。遷移中に放出される電磁波が可視光帯域にある場合、それは光時計です。

理論的には、光時計は原子時計よりも正確です。これは、光時計が発する電磁波の周波数が高く、線幅が狭いためです。

周波数が高いということは、単位時間あたりに測定できるサイクル数が増えるため、1 サイクルの持続時間をより正確に測定できることを意味します。線幅が狭いということは、周波数の不確実性が少なくなり、定義された時間の精度がさらに向上することを意味します。

周期、周波数、帯域幅の図解

同じ量子スケールの時計であっても動作が異なることがあるようですが、磁場、温度、振動などの外部要因によってこれらの違いが増幅されることは言うまでもありません。

では、外界の影響を受けにくく、「1秒」をより正確に定義できる、より安定したツールはあるのでしょうか?

持っている！それが核時計です。

核時計の原理は何ですか？

ロシアの物理学者エフゲニー・V・トカリャは、1996年に早くも「核励起」をタイミング用の非常に安定した光源として使用するというアイデアを提案しました。

いわゆる「核励起」は、原子核の外側の電子がエネルギーを吸収した後により高いエネルギーレベルにジャンプし、原子を励起状態にするプロセスに似ています。原子核自体も特定のエネルギーを吸収した後、より高いエネルギー状態になることがあります。

原子核外の電子の誘導遷移過程

（画像提供：ロチェスター大学）

同様に、原子核も誘導遷移プロセス中に特定のエネルギーの電磁波を放射します。

原子の誘導放射は原子時計や光時計の作成に使用できるのに、原子核の誘導放射はなぜ「核時計」の作成に使用できないのでしょうか?

この考えに基づいて、科学者たちは原子時計の実現可能性を研究し始めました。徐々に、彼らは、原子時計や光時計で一般的に使用されているセシウム133やストロンチウム87とは異なり、原子時計を作るのに必要なのはトリウム229の原子核だけであることを発見した。

それ以外にも、他の原子核の異なるエネルギーレベル間の遷移エネルギーが高すぎるため、放射される電磁波の周波数が高くなりすぎてタイミングを測定できなくなります。

この記事の冒頭および Ye Jun 氏のチームの論文で言及されている「トリウム 229m 異性体」は、トリウム 229 原子核の励起状態です。基底状態とのエネルギーレベルの差は約 8.3557 eV であり、放射される対応する電磁波は紫外線帯域にあります。

トリウム229原子核の最も低いエネルギー準位差

(画像出典: Physics.net)

これは原子時計や光時計で放射される電磁波よりも高い周波数ですが、幸いなことに機器が測定できる範囲内です。したがって、理論的にはタイミングに使用すると、より高い精度を実現できます。

さらに、原子核内の核外電子と比較すると、原子核自体は磁場や熱放射などの外部要因の影響を受けにくくなります。これは風が強く雨が降る日に傘を差している人のようなものです。突風が吹くと（外乱）、傘（電子）は人（原子核）よりも大きく揺れます。

原子時計は熱放射（赤いビーム）にさらされるとタイミングエラー（周波数の変化）を経験する

（画像提供：ドイツ国立計量標準研究所）

そのため、原子時計や光時計（絶対零度に近い真空および極低温環境に置く必要がある）と比較して、原子力時計は環境要件が低く、より安定しています。

この時点で、精密測定の分野における核時計の重要な価値はすでにわかっています。しかし、それはどれほど強いのでしょうか?

理論上、その精度は 10⁻¹⁹ に達し、これは現在入手可能な最高の光時計の約 10 倍の精度です。

コンセプトは何ですか？ 3000億年、一秒たりともずれていません!

大きな進歩：核時計はついに到来するのか？

イェ・ジュン氏のチームの実験では、トリウム229がフッ化カルシウム（CaF₂）単結晶にドーピング濃度5×10¹⁸/cm³でドーピングされた。これは、結晶の1立方センチメートルあたり500兆個のトリウム229原子が含まれていることを意味する。

トリウム229原子を励起するために、研究者らは結晶に真空紫外線レーザー（VUVレーザー）を照射した。蛍光が点滅すると、励起が成功した（トリウム 229m 状態に入った）ことを意味します。

その後、放出された蛍光光子はフィルター（背景光を除去）と光電子増倍管を使用して収集され、その周波数が測定されます。

実験装置の概略図と実際の写真

（画像出典：イェ・ジュンのチーム論文）

実験全体は151K（約マイナス122度）の環境で制御されました。明らかに、これは原子時計や光時計に必要な絶対零度（約マイナス 273 度）よりも操作がはるかに簡単です。

最終的に、葉軍のチームは、トリウム229の原子遷移の放射周波数が2 020 407 384 335(2) kHzであり、ストロンチウム87の原子遷移の放射周波数との比が約4.7であると測定しました。

つまり、セシウム 133 の原子遷移周波数を基準として使用し、トリウム 229 の原子遷移周波数に基づいて 1 秒を定義すると、次のようになります。

1 秒は、トリウム 229 原子核がトリウム 229m とトリウム 229 基底状態の間を遷移するときに放射される電磁波 (紫外線) の周期の 2,020,407,384,335,000 倍です。

もちろん、この結果にはまだ多くのエラーがあり、公式の定義として使用することはできません。しかし、それでも、過去と比較すると、葉軍氏のチームは原子時計の精度を約6桁向上させ、10⁻¹²のレベルに到達しました。

そのため、理論が予測した終点にはまだ到達していないものの、サイエンス誌が述べたように、葉軍チームの成果は超高精度原子時計を新たな時代へと導くものと期待されており、「すでに」ではなく「期待できる」ものであり、将来的にノーベル賞に輝くかどうかは別として、それでも大きな前進と言えるでしょう。

終わり

私たちが家庭で使っている時計は、たとえ2日間で1秒の誤差があっても全く問題ありません。北斗衛星のルビジウム原子時計の誤差は300万年に1秒で、これも十分な精度です。

一般の人々にとって、核時計、光時計、原子時計の間には実際のところ違いはありません。地球が死に、銀河が崩壊するまで、この「時計」は目標から 1 秒も離れていないが、これは生命にとってはまったく重要ではないようだ。

確かに、実用性や功利主義の観点からは、より高精度なタイミングを追求することの実際的な意義を説明することは困難です。

これは、「1 mm のスケールで重力赤方偏移を検証する意味は何ですか?」という質問に答えるようなものです。そして「（将来の）原子時計の周波数安定性を暗黒物質粒子の探索に使う意味は何か？」

「今後の応募をお待ちください」というごまかしの答えは言いたくありません。なぜなら、私の考えでは、それらを研究すること、あるいは数学や物理学の基本的な事実を研究することの最大の意義は、私たち自身のため、私たちの認識の進化のためであるからです。

参考文献:

1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

2.https://www.science.org/content/article/breakthrough-promises-new-era-ultraprecise-nuclear-clocks

3.https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_lock#Accuracy

5.https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_ Clock

6.https://arxiv.org/pdf/2109.12238

7.https://www.zhihu.com/question/666654065

8.https://arxiv.org/abs/2407.15924

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この記事は、科学普及中国フロンティアテクノロジーによって作成されました。転載の際は出典を明記してください。