人間の時間計測の「限界」は、数十億年にたった 1 秒の誤差です。宇宙で最も正確な時計を発見

昨年10月、孟天実験モジュールの打ち上げが成功し、ランデブー、ドッキング、移送が順調に完了し、中国の宇宙ステーションの「T」型基本構成が軌道上で組み立てられた。その後、「夢天」実験モジュール内の8つの科学実験キャビネットに電源が投入され、順次起動し、軌道上での試験が始まった。

「孟天」実験モジュールは、中国の宇宙ステーションにある実験モジュールであり、精密物理学実験を担当しています。物理的な実験が高度になるほど、時間の精度に対する要求が高くなることはわかっています。このため、「夢天」実験室には世界初の宇宙冷原子時計が装備されており、これは宇宙で最も正確な時間と周波数のシステムでもあり、その精度は50億年に約1秒です。

原子時計とはいったい何でしょうか？なぜこれほど正確な時間を提供できるのでしょうか?次は原子時計の原理と応用について学びましょう！

原子時計の大きな役割

科学が進歩するにつれ、人々はクオーツ時計（原子時計が発明される以前は最も正確なタイマー）の精度が科学研究のニーズを満たすのに十分ではないことを発見しました。現代物理学の柱は相対性理論と量子力学であり、マクロなスケールではニュートン力学の結論とほぼ同じです。つまり、マクロの世界では、ニュートン力学、相対性理論、量子力学の違いを認識することはできないのです。しかし、相対性理論とニュートン力学の違いは、クォーツ時計では測定できない小数点以下 15 桁で明らかになります。アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力は空間と時間を歪め、時間の遅れも引き起こします。この理論によれば、エベレスト山頂の時間は、8万年以上にわたって平均して海面の時間よりも1秒早く進んでいることになります。これはクォーツ時計の測定精度をはるかに上回ります。

中国が独自に北斗衛星ナビゲーションシステムを開発し、世界中のユーザーに全天候型、終日型の高精度な測位、ナビゲーション、タイミングサービスを提供していることは周知の事実です。衛星ナビゲーション測位は、電磁波を介して信号を送信することによって実現されます。真空中を伝播する電磁波の速度は毎秒約3×108メートルです。この速度と信号が伝わるのにかかる時間を掛けたものが、信号が移動する距離です。速度が非常に速いため、時計の1秒の誤差は地上測位で30万キロメートルの偏差をもたらします。したがって、全地球衛星測位システムが十分に正確なナビゲーション サービスを提供するには、十分に正確なクロックが必要です。今回ご紹介する原子時計は、この高精度な計時を実現できるもので、地球規模の衛星測位の主力技術となっています。

「夢天」実験室に設置された高精度時間・周波数実験キャビネット（I）

「秒」の定義

原子時計の計時原理を理解したいなら、まず時間単位「秒」の定義を理解する必要があります。現在の国際単位系では、1967 年に開催された第 13 回国際度量衡会議で示された「秒」の定義が使用されています。これは、セシウム 133 原子が乱されていない基底状態で 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 倍です。

物質の基本単位は原子であり、原子核と電子で構成されていることは周知の事実です。ボーアモデルによれば、原子内の電子は原子核の周りを回り、特定の離散的な軌道上でのみ移動できます。各軌道の電子は個別のエネルギーを持っており、これを「エネルギーレベル」と呼びます。電子は異なる軌道間を移動することができます。電子が特定の周波数の電磁波を吸収すると、低いエネルギーレベルから高いエネルギーレベルにジャンプすることができます。電子が高エネルギーレベルから低エネルギーレベルにジャンプするとき、特定の周波数の電磁波を放射することもできます。遷移過程において、電子によって吸収または放射される電磁波の周波数は、遷移エネルギーレベル間のエネルギー差に 1 対 1 で対応するため、セシウム 133 原子が非摂動基底状態の 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波数と周期も固定されます。物理学者は、この固定された期間の 9,192,631,770 倍の期間を「秒」と定義しました。

「夢天」実験室に設置された高精度時間・周波数実験キャビネット（第2部）

原子時計の原理

「秒」の定義がわかれば、原子時計の原理がより理解しやすくなります。

誰もがラジオを使ったことがあるでしょう。原子時計の動作原理は、実際にはラジオを使用するプロセスと同じです。周波数が 100MHz のラジオ局を聴きたい場合、まず周波数を 100MHz 付近に調整する必要があります。周波数が 100MHz に近づくと、ラジオからぼやけた音が聞こえます。前の周波数が 100MHz 未満の場合、周波数を上げるにつれて受信音がより明瞭になることがわかります。前の周波数が 100MHz より大きい場合、周波数を下げるにつれて受信音がより明瞭になることがわかります。変調周波数を増減する過程で、100MHzにどんどん近づいていきます。受信した音が最も明瞭な場合、その周波数はまさに必要な 100 MHz です。

原子時計にも周波数変調に似たプロセスがあります。まず、最初の状態選択磁石を使用して、2 つの超微細エネルギー レベルにある多数のセシウム原子から、より低いエネルギー レベルにあるセシウム原子の一部を選別しました。その後、コリメータの作用により、これらの原子は原子ビームを形成し、互いに衝突することなくマイクロ波共振空洞を通過します。マイクロ波共振空洞は、9 192 631 770 Hz に近い周波数の電磁波を放射します。電磁波の作用により、マイクロ波共振空洞を通過する一部の原子は、低エネルギーレベルから高エネルギーレベルに移行します。原子がマイクロ波共鳴空洞を通過すると、第 2 の状態選択磁石が高エネルギーレベルの原子を低エネルギーレベルの原子から分離し、検出器が高エネルギーレベルの原子の数を検出します。マイクロ波共振空洞内の電磁波の周波数が 9 192 631 770 Hz に近づくほど、より多くの原子がより高いエネルギーレベルに遷移し、検出器によってより多くの高エネルギーレベルの原子が検出されます。高エネルギーレベルで検出された原子の数が最大に達すると、マイクロ波空洞内の電磁波の周波数は正確に 9 192 631 770 Hz になります。次に、マイクロ波空洞を制御する時間周波数信号をタイミング標準として使用できます。

原子時計は物理学者の手にあるラジオのようなものです。ラジオの原理を理解できれば、原子時計の原理も間違いなく理解できます。

原子は2つのエネルギーレベル間を遷移する

なぜこれが最も正確な計時装置なのでしょうか?

原子時計はなぜ約50億年でわずか1秒の誤差しか維持できないのでしょうか?これはタイミングの原則から始まります。

タイミングは、特定の周期的な動きが発生する回数の測定であり、時間単位は、特定の周期的な動きが発生する回数の仕様です。古代人は地面に棒を突き刺し、日の出から日没まで棒の影の位置が周期的に変化するのを観察しました。そして、彼らは影のさまざまな位置に応じて一日の時間を記録しました。このような時計は「日時計」と呼ばれます。計時技術の発展の過程で、人々は流水や流砂を利用して時間の経過を測り、水時計や砂時計を作りました。日時計、水時計、砂時計の動作周期は不安定で、季節、温度、摩擦などの要因に大きく影響されます。その結果、周期運動の周期と周波数に不確実性が生じ、タイミングは当然不正確になります。その後、人々はより安定した機械式時計を発明しました。これは摩擦などの要因の影響を受けにくく、また動きの周波数が非常に高かったため、この誤差は大幅に減少しました。機械式時計は1時間に10,000回動きます。会計用の機械式時計が 10,000 回動くのにかかる時間は 1 時間です。つまり、1時間少なく数えても、タイミングは1万分の1時間だけ遅くなるだけです。今日の高性能な機械式時計の誤差は、1日あたりわずか12秒です。

その後、人々はより正確なクオーツ時計を作りました。クォーツ時計は、電流の作用による水晶の周期的な振動運動を利用しています。この動きは 1 秒間に 32,768 回発生します。機械式時計と比較すると、クォーツ時計は周期がより安定しており、タイミングがより正確です。通常のクオーツ時計は、2秒以内の誤差で1日動作します。

クォーツ時計の後、原子時計も発明されました。原子時計は、原子がエネルギーレベル間を遷移するときに放出される電磁波の周期的な動きに依存しています。この周期運動の周波数は非常に安定しており、外部の影響によって変化することはありません。タイミングに最適な周期運動です。 1秒間に、セシウム原子時計は91億回、ストロンチウム原子時計は430兆回、イッテルビウム原子時計は518兆回動きます。そのため、「夢天」実験室の宇宙冷原子時計群の精度は、約50億年で1秒の誤差に達する可能性があります。

まとめると、原子時計が高精度である理由は、大きく分けて2点あります。1つは周期運動の安定性です。原子時計以外の周期運動は外部要因の影響を受けやすい。 2つ目は周期運動の周波数が高いことです。原子時計は 1 秒間に何億もの周期運動を生み出すことができ、これは他のタイマーの周期運動をはるかに超えています。

南京情報科学技術大学教授兼博士課程指導者の劉玉珠氏と南京情報科学技術大学の翟若宇氏による