5
原子時計という用語は聞いたことがあるものの、その詳細や設置場所についてはよくご存じない方もいらっしゃるでしょう。この記事では、この時計が正確な時刻を提供している場所と、原子時計に関するいくつかの背景情報をご紹介します。
原子時計の設置場所
ドイツでは 4 台の原子時計が稼働しています。これらはすべて、ブラウンシュヴァイクにある連邦物理技術研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt）に設置されています。
- そのうちの 1 つ、セシウム時計 CS2 は 1991 年から正確な時刻を提供しています。ご家庭や腕にある電波時計は、この原子時計から正確な時刻を受信しています。
- オーストリアでは、複数の原子時計が稼働しています。その責任は、ウィーンに本部を置く連邦計量測量局が担っています。
- 原子時計 TAI は、スイスの原子時計から発信されています。ベルン近郊のヴァベルンにある連邦計量局の時間・周波数研究所も、複数の原子時計を運用しています。
原子時計について知っておきたいこと
原子時計は、その非常に正確な時刻で知られています。この時刻は、1967 年以来、標準化されています。ここで使用される時間単位は 1 秒です。
- 1 秒は、セシウム放射の 9,192,631,770 回のマイクロ波振動に正確に対応します。この振動は、原子時計と私たちの時間の基礎となっています。
- 原子時計の仕組みの背景には、当然のことながら物理学だけでなく化学も関わっています。今日の原子時計には、セシウム同位体 133 が使用されています。
- その仕組み自体は複雑です。簡単に言えば、原子時計は他の時計と同様、計数装置と発振器で構成されています。
- 原子時計では、セシウムが発振器として機能します。まず、炉で蒸発させた後、真空中でビームに集束します。これにより、セシウム原子は基底状態になります。
- 磁気マイクロ波場の中で、原子は一定の確率で状態を変化し、その数がカウントされます。
- マイクロ波場は、できるだけ多くの原子がカウントされるように設定されます。これは、1 秒間に前述の 9,192,631,770 回のマイクロ波振動に相当します。
- この時計の精度は、セシウム原子の遷移の放射周波数がほぼ一定であるため、非常に高いものとなっています。これにより、ブラウンシュヴァイクの原子時計は、1 年間で 13 億分の 1 秒の誤差しか生じません。
- ちなみに、原子時計は 1967 年に秒という時間単位が定義されてから登場したものではありません。
- 最初の原子時計は 1949 年に、米国国立標準局で開発されました。しかし、当時の発振器はセシウム原子ではなく、アンモニア分子でした。
原子時計が私たちの生活に影響を与えている理由
原子時計がなければ、私たちの日常生活は文字通りリズムを乱してしまうでしょう。原子時計は目に見えない存在ですが、多くの現代的なシステムは、その正確さに直接依存しています。
- GPSナビゲーション：衛星は、正確な時間差に基づいて距離を計算します。10億分の1秒の誤差でも、数メートルの位置誤差が生じる可能性があります。
- 電気通信：携帯電話ネットワークやインターネットサービスは、原子時計によってデータパケットを同期しています。
- 電力網： ネットワークの周波数と負荷分散は、正確な時間同期に基づいています。
- 金融市場： 証券取引所や取引システムは、取引のためにミリ秒単位の正確なタイムスタンプを必要とします。
このように、原子時計による国際的な時間調整は、デジタルネットワーク化された世界において秩序を保っています。
精度比較：原子時計、クォーツ時計、機械式時計
原子時計は実際にどれほど正確なのか、そして他の時計と比較するとどうなのか？
- 機械式時計は1日に数秒の誤差が生じる場合がありますが、クォーツ時計は1か月に数秒の誤差しか生じません。一方、セシウム原子時計は、100万年に1秒も誤差がない。
- 最新の光学原子時計はさらに正確です。レーザー光を用いてストロンチウムやイッテルビウムなどの原子の振動を測定し、300億年以上経っても1秒の誤差しか生じないほどの安定性を実現しています。
