誤差は数億年に1秒以内です！原子時計に「恐ろしい」精度を与えているのは誰でしょうか?

原子時計の原理は何ですか？具体的な動作原理は何ですか?

これはニュースを見ているとよく遭遇する問題ですが、今年はたまたま私の国でさまざまな原子時計の新たな進歩に関するニュースが多く報道されています。例えば：

現在、市販のルビジウム原子時計の第 2 レベルの安定性は、通常、E-11 から E-12 レベルにあります。今年1月、メディアの報道によると、わが国が開発した新型ルビジウム原子時計は、第2レベルの周波数安定性の中核指標であるE-14レベル、つまり1兆分の1に初めて到達した。

また、今年1月には、メディアの報道によると、中国の研究チームが1万秒の安定性と不確実性の向上に成功した。

ストロンチウム原子光格子時計（数十億年に 1 秒以内の誤差に相当）。

中国の量子科学実験衛星「墨子」は2016年に打ち上げられており、現在開発中かつ今後打ち上げられる中軌道・高軌道量子衛星には、より精度の高い原子時計が搭載される予定だ。 (ギャラリーの著作権保護された画像、転載は著作権紛争につながる可能性があります)

01 時計の精度をどのように定義しますか?

原子時計について話す前に、この質問について考えてみましょう。時計の精度をどのように定義するか?

答えは次のとおりです。

この種の時計で時間を細かく分割すればするほど、得られる時間はより正確になります。

例えば：

地球の公転を時計に例えると、その精度は「年」になります。

同様に、地球の周りの月の公転を時計として使用する場合、その精度は「月」です。

地球の自転を時計に例えると、その精度は「日」になります。

明らかに、あなたは次のことを認めるでしょう:

「地球自転時計」の精度は「地球公転時計」よりはるかに高いです。前者は時間を日単位で分割できますが、後者は時間を年単位でしか分割できないためです。

02 時計の周波数が重要な要素

「地球公転時計」の周期は1年に1回ですが、「地球自転時計」の周期は1年に約365回です。後者の方が正確です。

上記の事実から、より高い周波数とより優れた再現性を持つ「何か」を見つけ、それを時計として使用できる限り、問題はないことがわかります。

では、最も頻繁に変更されるものは何でしょうか?

1880 年、科学者たちは石英に圧電効果があることを発見しました。つまり、石英材料に圧力を加えると電流が発生するのです。

では、逆に何が起こるのでしょうか?

逆もまた真なりです。水晶に電界をかけると、水晶は振動します。これが「逆圧電効果」です。

では、電界の影響下にある水晶の振動周波数はどれくらいでしょうか?答えは不確かです。なぜなら、クォーツはカットの形状によって周波数が異なるからです。

ただし、最も古典的なカット形状の 1 つは 32768 Hz の周波数に対応しており、これは 1 秒間に 32768 回振動することを意味します。

したがって、「カット形状」が同じであることを確認していれば、一定の周波数を得ることができます。

それで、私たちはクォーツ時計を手に入れました。

クォーツ時計、画像はWikipediaより。

クオーツ時計の登場により、人間の時間を細分化する能力は大きく進歩しました。 1秒を32768等分すると、「地球自転時計」よりも何倍も正確になります。

精度の「頂点」をさらに登るために、科学者たちは原子内部に注目しました。

03 量子力学が救世主

従来のイメージによれば、原子核の外側の電子の動きは「軌道」上を動きます。しかし、マクロな世界とは異なり、電子は常に 1 つの軌道上だけを移動するわけではありません。時々、ある軌道から別の軌道へ「走る」こともあります。量子力学では、これを「遷移」と呼びます。

原子にはさまざまな「エネルギーレベル」があり、それは原子核の外側の電子のさまざまな軌道によって決まります。つまり、電子が 1 つの軌道にあるとき、原子は 1 つのエネルギー レベルにあり、電子が別の軌道に移動すると、原子は別のエネルギー レベルにあります。

原子の 2 つのエネルギーレベルの間にはエネルギー差があります。ここでのエネルギー差は一定なので、「△W」で置き換えます。

原子核の外側の電子が外側から△Wエネルギーを吸収すると、別の軌道にジャンプします。

逆に、電子がこの軌道から元の軌道に戻ると、元々吸収していた△W エネルギーを「吐き出す」ことになります。

ここでの△Wエネルギーは実は電磁波であり、電磁波のエネルギーは異なり、周波数も異なります。

さらに、異なる原子のエネルギーレベル間のエネルギー差も異なります。エネルギーの差は実際には電磁波であるため、原子から放出される特定の電磁波を検出して、異なる原子を識別することができます。

最後に、電子が 2 つの異なるエネルギー レベル間を遷移し、同じエネルギー差の「一部」を吸収または放射する場合、このエネルギー差は他のものと比べて、環境の変化によって変化する可能性が低くなります。

温度、湿度、磁場などの環境条件が基本的に一定であれば、エネルギー差は一定であると言えます。それは原子自体の固有の性質なので、10億年であろうと1000億年であろうと変わりません。

セシウムにはセシウム133やセシウム137など多くの同位体が存在します。ここで私たちが話題にする主役はセシウム133です。

高純度のセシウム133はアルゴンガス中に保存されます。画像はWikipediaより。

55番目の元素であるセシウムは、原子核の外側に55個の電子を持っています。したがって、セシウム原子のエネルギーレベルが多様かつ複雑であることは理解しにくいことではありません。

しかし、これは問題ではありません。なぜなら、セシウム原子時計は最外層の電子を使用し、最外層には比較的独立した軌道で動作する電子が 1 つだけあるからです。そのエネルギーレベルの遷移は識別するのが最も簡単です。

セシウム原子の電子層（著作権画像は図書館から提供されており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります）

では、セシウム原子の最外殻電子のエネルギー準位遷移によって吸収または放出される電磁波の周波数はどれくらいでしょうか?

答えは9192631770Hzです。

クォーツ時計は 1 秒を 32768 に分割できますが、このレベルの時間精度は衛星測位に使用するには不十分です。

しかし、1 秒を 9,192,631,770 等分、つまり約 92 億に分割できれば、十分な精度が得られます。

04 原子時計の一般的な動作原理

簡単に言うと、次のようになります。

ステップ1: セシウム原子を準備する

まず、同じエネルギーレベルを持つセシウム原子の大きなグループを作成する必要があります。これは比較的簡単に実行でき、通常はセシウム金属を加熱して気体に蒸発させることで実現されます。

ステップ2：真空管クローズドトランスミッション

この大量のセシウム原子は、原子が外部環境と相互作用してエネルギーレベルに影響を与えないように密閉された真空管を通って導かれます。

ステップ3: マイクロ波放射

科学者たちはこの管の中で、特定の周波数のマイクロ波（電磁波の一種）を原子に照射します。マイクロ波の周波数がセシウム原子の超微細構造遷移周波数（約 9192631770 Hz）と正確に一致する場合にのみ、セシウム原子はこれらのマイクロ波を吸収し、ある超微細エネルギーレベルから別の超微細エネルギーレベルに遷移します。

ステップ4: 検出信号

セシウム原子がマイクロ波を吸収して遷移を完了すると、ある時点で元のエネルギーレベルに戻り、以前に吸収したエネルギーを電磁波の形で再放出します。

この放出された電磁波信号は検出可能であり、これにより、以前に放出されたマイクロ波周波数が確かに 9192631770 Hz であったことが確認されました。

ステップ5: 正確な周波数制御

マイクロ波の周波数を連続的に調整し、セシウム原子が遷移するかどうかを検出することにより、人間はマイクロ波の周波数を非常に正確に決定し、制御することができます。

まとめると、原子時計の原理は実際には「二重確認」プロセスであると考えることができます。つまり、

私たちは 9192631770 Hz の周波数の電磁波を放射しようとしていますが、放射する電磁波がこの周波数であることをどうやって確認できるのでしょうか?分かりません。

これには確認プロセスが必要です。

そのため、デバッグを続けることしかできませんでした。しかし、ある時点で、遷移後に多数のセシウム原子から放出された強い信号を受信したとき、私たちは次の事実を確認しました。

私たちが発する電磁波の周波数は実際には 9192631770 Hz です。

この周波数は 1 秒間に 9192631770 サイクルに相当します。サイクルは電子カウンターによってカウントされます。 9192631770 サイクルが発生するたびに、2 番目がジャンプします。

電子カウンターが4596315885回カウントするたびに、0.5秒が経過したことを意味します。

以上がセシウム原子時計の基本原理です。

05 「縄跳び」で説明する

実は、「縄跳び」を使って原子時計の原理を理解することもできます。

縄跳びでは、2人がロープの両端を持ち、一定の頻度でロープを円を描くように振ります。頻度が 1 秒あたり 1 回転の場合、縄跳びをする人もこの頻度、つまり 1 秒あたり 1 回ジャンプする必要があります。そうしないと、すぐに失敗してしまいます。

縄を振る周波数が 9192631770 Hz の場合、縄跳びをする人も同期するために 1 秒間に 9192631770 回ジャンプする必要があります。

もし、食べ物や水なしで生きることができ、特定の条件下で心臓を毎秒 9192631770 回鼓動させ続けることができる人々が本当にこの世にいるのなら、私たちは助けとなるセシウム原子を探しに遠くまで行く必要はなく、これらの人々を利用すればいいのです。

残念ながら、特定の条件下でそのような一定の周期で鼓動できる人間や人工物は地球上に存在しません。

したがって、ここでのセシウム原子は、実際には、特定の条件下で一定周期でジャンプできる「縄跳び」に相当します。

私たちがセシウム原子に放射する電磁波は、実際にはロープを振っている二人の人間と同等です。 2 つのリズムが同期している場合、人間がロープを振る頻度は 1 秒間に 9192631770 回であると結論付けることができます。

縄跳びをする人の数を数えるのは簡単ではありませんが、高度な「電子カウンター」を使用して縄が振られた回数を数えることができます。

要約すると、次のことも言えます。

周波数分割技術と高速カウンターチップをベースにした極めて先進的な「電子カウンター」を使用することで、1秒間に100億回以上カウントすることが可能です。ただし、時計としては使用できません。

なぜなら、今回は 920 億回数えたものの、10.1 秒で数え終わった可能性があるからです。次回は 920 億回数えると、また 9.9999 秒で終わるかもしれません。

そこで大きな疑問となるのが、連続する各カウントが同じ時間内に同じ回数カウントされることをどうやって確認するかということです。

一定の参照がないので、確かめる方法はありません。したがって、セシウム原子の固定された特性を基準として使用することができます。

著者：科学技術省の「国家優秀科学普及作品賞」受賞者であり、人気科学ライターのハンム・ディアオメン氏

査読者：中国科学院国家時間サービスセンター研究員 劉亜

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社