原子時計

原子時計（げんしどけい、英: atomic clock）

原子時計は、原子や分子の持つスペクトル線の周波数を基準にした、非常に精密な時間を記録する装置です。原子時計は、10^-15の精度（3000万年に1秒の誤差）を持つものから、10^-11程度（3000年に1秒）の誤差を持つ小型のものまでさまざまな種類があります。そのため、原子時計に基づく時刻系は「原子時」と呼ばれ、現行のSI秒や国際原子時（International Atomic Time）も、原子時計の性能によって支えられています。

原理

原子や分子は、特定の周波数の電磁波を吸収したり放出したりする特性を持っています。この性質を利用することで、極めて高精度な周波数標準が得られます。この周波数を測定することで、時間を正確に計測可能です。SI秒の定義も、原子の特性に基づいて行われています。原子時計は、超高精度の水晶振動子と、周波数標準装置を組み合わせて、その水晶振動子の発振周波数を調整する仕組みで実現されています。原子時計が生み出す高精度な時刻情報は、標準電波として放送され、これを受信して誤差を修正するのが電波時計です。

原子時計には、以下のような多様なタイプがあります：

• - マイクロ波時計: 代表例はセシウム原子時計で、国際的な秒の定義として使用されています。
• - 光原子時計: 高い性能を持つ新しい計測方法です。
• - 単一イオン時計: ストロンチウムやイッテルビウムのイオンを用います。
• - 中性原子光時計: 近年の研究が進められています。
• - 旧型 時計: 自由空間で動作するカルシウムやマグネシウムの時計。
• - 新型 時計: 光格子で捕えるストロンチウムやイッテルビウムを用いた時計。

マイクロ波時計の詳細

マイクロ波時計の代表例であるセシウム原子時計は、セシウム133の蒸気を使用しています。この印象深いプロセスでは、基底状態の原子に9192631770 Hzのマイクロ波をかけ、その反応から励起状態のセシウム原子を生成します。この周波数を調整し、正確に9192631770 Hzを生み出すシステムが築かれています。セシウム原子時計の誤差は、1億年に1秒（10^-15）という極めて高い精度です。

光原子時計の革新

1960年代に提唱された光格子時計では、原子をレーザーで捕まえ、非常に高い安定性を実現します。最初にストロンチウムを使用して開発された光時計は、2006年に公表され、励起と基底状態のエネルギー調整により光シフトの影響をほぼゼロにする技術が確立されています。これにより、1000倍の精度が期待され、2009年には429228004229873.7 Hzの計時精度が達成されました。

精度の向上とその未来

今後の原子時計技術の進展は、時間の測定精度を向上させるだけでなく、相対性理論と量子力学の解明にも寄与することが期待されます。電磁場や重力場の影響を高精度で測定できる可能性があり、物理学の基本的な数値の関係をより明確にする手助けとなるでしょう。長さの測定やGPS技術における応用はもちろん、情報科学の分野でも、正確な時間測定がますます重要になってきています。

このように、原子時計はただの時刻を示す装置ではなく、その背後には高い物理学的理論が存在し、現在と未来の科学技術において重要な役割を果たし続けるのです。

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