日時計から原子時計まで、私たちはどうやって時間を知るのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 陳江 (中国科学院国家時間サービスセンター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

私は中国科学院の国家タイムサービスセンターで働いています。当センターの研究対象は「時間」です。

時間に関して、人々はしばしば疑問を投げかけ、時間は客観的な世界に固有の存在であるべきだと信じています。携帯電話や時計を見れば簡単に時間がわかるのに、なぜ時間を勉強する必要があるのでしょうか?実際、私たちが議論している時間は、より正確には、時間の周波数を指します。これは極めて重要な学問分野であり、国立時刻サービスセンターは時間と周波数に関する基礎研究と応用研究を専門に総合的に行っている我が国唯一の科学研究機関です。我が国の国家標準時（北京時間）の生成、維持、放送を担当しています。

時間周波数は重要なテーマである

（写真提供：veerフォトギャラリー）

計時ツール：日時計から機械式時計まで

自然科学の分野では、時間とは出来事が起こる瞬間とその継続時間を測定する基本的な物理量です。これは私たちが日常生活で頻繁に使用する概念でもあります。通常、時間は周波数と密接に関連しており、この 2 つは総称して時間周波数と呼ばれます。時間には、瞬間と時間間隔という 2 つの要素が含まれます。たとえば、午前 8 時に開始され、2 時間続く予定の講義に出席する予定です。すると、午前 8:00 は時刻を表し、2 時間は時間間隔を表します。

現代社会では、「1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9,192,631,770回振動するのにかかる時間として定義されています。これは、現在人類が測定できる最も高い測定精度を持つ物理量でもあります。最近では、時間情報を入手するのがより便利になりました。携帯電話を手に取るだけですぐに入手できます。しかし、古代の人々はどうやって時間を測っていたのでしょうか?時間を計測する古代の 3 つの方法を紹介します。

日時計: 主にダイヤル (ダイヤル ディスクとも呼ばれる) とグノモン (ダイヤル針または日時計針とも呼ばれる) で構成されます。日中、太陽は東から昇り西に沈み、その光が日時計に落とす影もそれに応じて動きます。

太陽が最も高い位置（正午）にあるとき、日時計の影は文字盤上の特定の点を指し、通常は「正午」または「正午」と記されます。日時計の影が日時計の表面に映る位置を観察し、それを日時計の表面にある時間目盛りと比較することで、現在の時刻を判定することができます。

日時計

（写真提供：veerフォトギャラリー）

火時計：火報時計とも呼ばれ、古代の人々が火の燃焼を利用して時間を計測するために使用した装置です。火時計は火の安定した燃焼速度を利用して時間を知らせます。線香やろうそくなどの特定の構造物に、鈴などの音を出すことができる装置を綿糸で張り付けます。特定の位置まで火が燃えると、綿糸が燃え、鐘が落ちて音を鳴らし、時間の経過を知らせます。鐘が鳴ったり音が鳴ったりするたびに、一定期間（15分、1時間など）の終了を表し、時間の測定が行われます。

映画には中国の火時計が登場する

（画像出典：Sina Finance）

流体時計: クレプシドラ、水力式計器、一般的な砂時計などがあり、重力の作用による水や砂の一定の流れを利用して時間を知らせます。流体時計は、容器内の水位をマークするか、流出する液体を収集することによって時間を測定します。クレプシドラでは、最初のバケツから 2 番目のバケツに水が滴り落ちるときに、2 番目のバケツの水位の上昇を観察することで時間の経過を推定できます。バケツに水が漏れて、バケツに流れ込む水の重さを量って時間を計算するものもあります。これにより、品質の測定と時間の測定が結びつきます。流体時計は古代社会ではすでにかなり信頼性の高い計時ツールであり、農業生産、宗教儀式、日常生活などさ​​まざまな分野で広く使用されていました。

現代において、人類は振り子時計、機械式時計、クオーツ時計、電子時計などの精密な計時機器を発明しました。これらの機器の測定精度は大幅に向上し、安定性も大幅に向上しました。 1000年以上前の北宋時代に、熟練した職人が1日わずか10分の精度の水時計を製作しました。約600年前、機械式時計が発明され、計時の精度がさらに向上しました。 1930 年代には、水晶発振器の登場により、誤差は 300 年に 1 秒というレベルまでさらに減少しました。

原子時計の誕生

人間の時間測定の精度は常に向上していますが、なぜこれほど高い精度が必要なのでしょうか?私たちにとって時間の正確さはどれほど重要でしょうか?

中国の探査機「天問1号」は地球から約5500万キロ離れた火星に無事到着し、綿密な探査と調査を行った。それで、この成果は時間とどのような関係があるのでしょうか?実際、その中核となる原理には、私たち全員がよく知っている基本式、つまり距離は速度と時間の積に等しい、というものがあります。

我が国初の火星探査ミッション「天問1号」探査機の打ち上げに成功

（写真提供：新華社記者胡哲）

探査機はまず、第2宇宙速度である秒速11.2キロメートルまで加速される。地球から火星までの距離が長いため、探査機が地球・火星遷移軌道付近で高度誤差が1kmあると、火星到着時には距離誤差が最大10万kmになる可能性がある。したがって、探査機のタイミング精度が1000分の1秒に達しない場合、火星に着陸できないだけでなく、大きな損失となるでしょう。深宇宙探査ミッションにおいては、時間の精度が重要な要素であることがわかります。

珠栄火星探査車

（写真提供：公開アカウント Aviation Knowledge）

量子物理学の出現により、チップ、コンピューター、携帯電話などが誕生し、私たちの生活は変わりました。マイクロ秒レベル、あるいはそれ以上のレベルで時間を制御することによってのみ、人間は原子や電子などの微小な粒子の特性をより詳細に研究することができます。定規で測るのと同じように、ミリ単位の精度がなければ、より小さなスケールの物体の長さを正確に測ることは不可能であり、物体内部のより微細な物理的性質を深く研究することは不可能です。したがって、時間の精度をある程度まで向上させることによってのみ、原子や分子などの微小粒子の性質や寿命を調べることができるのです。

国防の分野では、現在、一部の大陸間ミサイルの最高速度はマッハ26、つまり秒速800メートルに達している。人間の反応時間が 0.3 秒 (人間のまばたきの時間で、約 200 ～ 400 ミリ秒) ずれると、ミサイルは意図した標的から 2.6 キロメートル逸れてしまう可能性があります。このようなミサイルを迎撃するには、1万分の1秒という時間精度の要件を満たす必要があります。この攻撃と防御の戦いはタイミングの正確さの重要性を浮き彫りにします。現代の情報戦争において、研究者は一般的に原子時計の重要性は原子爆弾の重要性をも上回ると考えています。

原子時計はどのように機能するのでしょうか?

セシウム 133 原子の基底状態超微細準位遷移中の 9,192,631,770 サイクルの放射線の持続時間は、1 秒の長さとして定義されます。この定義を実現する装置はセシウム泉時計と呼ばれ、人間の活動時間の基準ともみなされています。時間測定に関わるすべての機器は、この原子時計に基づいて校正する必要があります。

それで、この時計と以前の時計の違いは何でしょうか?これまでの原子時計のほとんどは高温原子時計でしたが、私たちはこれを低温原子時計と呼んでいます。冷却原子時計では、レーザー冷却を利用して、散乱した原子をコンパクトなクラスターに冷却します。そして、原子の塊を上向きに投げて落下させることで、原子時計の性能を検出することができます。

原子の上下運動は噴水の周期に似ているため、この装置は噴水時計と呼ばれています。これは現代の時間測定の標準を形成し、他のタイプの原子時計とは大きく異なります。当研究所が開発した初のカラー原子噴水時計の最大の特徴は、その巨大なサイズであり、約 30 平方メートルの清潔な実験室スペースを必要とします。このデバイスは環境と室内条件に関して極めて厳しい要件を満たしていますが、その性能により、3,000 万年の期間にわたって誤差が 1 秒を超えないことがすでに保証されています。

冷原子光時計の精度は噴水時計の精度を2桁上回っており、将来的には私たちの時間基準の新たな標準となることが期待されています。その原理は光周波数に基づいています。従来のマイクロ波周波数標準とは異なり、マイクロ波共振空洞の代わりに超狭線幅レーザーを使用し、このレーザーを使用して原子を励起します。

原子時計の動作メカニズムは比較的単純です。その中核は、原子を基準物質として使用し、特定の周波数帯域のマイクロ波周波数を生成して原子を励起できる電子発振器に似たデバイスを構築することです。発振器によって生成された電磁波の周波数が原子の固有の振動周波数と一致すると、原子は「エネルギーレベルの遷移」を起こします。この現象は、発振器から発せられる周波数が原子の共鳴周波数と一致していることを示しており、この周波数を原子の共鳴周波数として利用することができ、これが原子時計の動作の基本原理を構成します。

原子時計の動作材料は、特定の種類やカテゴリではありません。最も一般的に使用されるのは、水素原子、アルミニウム原子、セシウム原子、ストロンチウム原子であり、これらはすべてさまざまな原子時計の作成に使用できます。

原子時計の性能を評価するための 2 つの主要な指標は、周波数安定性と周波数精度です。安定性は原子時計の出力信号の周波数が変動する程度を指し、精度は出力信号の周波数が確立された標準値にどれだけ近いかを表します。アーチェリーに例えると、原子時計は安定性と精度の両方を備えており、矢を射るときに的を射て正確さを表すのと似ています。そして、アーチェリーのすべての結果は、その安定性を反映して、的の中心付近に集中します。

原子時計には多くの種類がありますが、その中でも水素原子時計は動作媒体として水素原子を使用します。水素原子は安定したエネルギー準位遷移周波数を持っているため、高精度の時間測定に最適です。また、セシウム原子時計、ルビジウム原子時計、アルミニウム原子時計も一般的な種類です。これらの原子時計はサイズが小さいだけでなく、高度な技術で作られています。

原子時計の応用

天文学では、原子時計は天体の位置と動きを正確に測定することができます。遠方の天体からの信号に高精度のタイムスタンプを付与することで、科学者は天体間の距離や相対的な動きの速度などをより正確に計算でき、天体物理学の研究にさらに正確なデータサポートを提供できます。

衛星ナビゲーションシステムでは、原子時計もコアコンポーネントの 1 つであり、その精度によってナビゲーションシステムの測位とタイミングの精度が決まります。高精度の原子時計は、衛星ナビゲーションシステムの測位をより正確にし、人々の旅行、航空、ナビゲーションに信頼性の高いナビゲーションサービスを提供することができます。今後の有人深宇宙探査においては、人類の探査範囲が拡大するにつれて、航行精度に対する要求はますます高くなるでしょう。原子時計は広大な距離にわたって正確な時間を維持できるため、宇宙船の正確な航行を保証します。

地球科学研究の分野において、原子時計は時間を正確に測定して地球の自転、極の移動などの動きを監視するために不可欠です。長期にわたる時間測定と比較を通じて、地球の自転速度の変化や地球の極の移動などの現象を研究し、地球物理学や地質学などの分野に基礎データを提供し、科学者が地球の内部構造や地球力学プロセスを理解するのに役立ちます。原子時計は地球の形状、大きさ、重力場の測定にも役立ち、地質科学や地球科学の研究に重要な技術的サポートを提供します。

結論

5G技術や無人運転技術の発展に伴い、我が国でも小型チップ型原子時計の開発が始まっています。この原子時計は、コインや指ほどの大きさで、非常に軽量です。今後、さらに多くの場面や分野への応用が期待されます。

編集者：ピ・グアンユ