「宇宙年齢１３８億年で１秒も狂わない」時計

「宇宙年齢１３８億年で１秒も狂わない」時計

ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、東京大学 大学院工学系研究科の香取 秀俊 教授（理化学研究所 主任研究員）、理化学研究所 香取量子計測研究室の高本 将男 研究員らは、低温環境で原子の高精度分光）を行う光格子時計）を開発し、２台の時計が２×１０^－１８の精度）で一致することを実証しました。この精度は、２台の時計で１秒のずれが生じるのに１６０億年かかることに相当します。

いわゆる「原子時計」が登場した当時の精度が10マイナス13乗秒程度と言われているので、えらく進歩したものである。

なんでこんな精度が必要かというと、時間と距離には密接な関係があるため、大きさや距離を精確に測るには可能な限り精確な時計が必須なのである。宇宙全体のようなビッグサイズもそうだし、素粒子レベルの微細なものもそう。

１×１０^－１８精度の時計の比較では「重力が強いところでは時間がゆっくり進む」という一般相対論的な効果が、時計の高さのわずか１ｃｍの変化に対して観測できるようになります。このような精度では、時計はもはや従来の時間を共有するツールとしての役目を超えて、重力で曲がった相対論的な時空間を見る新しい計測ツールになります。
例えば、高精度な時計を小型化・可搬化して屋外に持ち出せるようになれば、局所的な重力の変化に伴う時間の変化を観測することで、地下資源探査、地下空洞、マグマ溜まりなどの検出ができる可能性を秘めています。また、小型の光格子時計を各地に配置し、それらの時計の相対的な時間の進みの変化を観測すれば、実時間で重力ポテンシャルの変化を観測することが可能で、地殻変動の検出への応用も期待されます。研究グループは、実用化も視野に入れ、光格子時計の小型化・可搬化に向けた技術開発も並行して行っています。
また一方で、光格子時計を使い、「基礎物理定数は本当に定数か？」という基礎物理学的な疑問に答える研究も進めています。冒頭の「研究の背景と経緯」に述べたように、原子時計や現在の物理学の理論は「基礎物理定数が定数である」という仮定のもとに成り立っています。例えば、微細構造定数（電荷素量、プランク定数、光速の物理量で定義される無次元量）は原子スペクトルを決める基礎物理定数の１つですが、これが一定なら、どの原子種で時計を作っても同じ時が保証されます。研究グループは、ストロンチウム原子のほか、水銀原子、イッテルビウム原子など、異種の原子を用いた光格子時計の開発も行っています。異種原子の光格子時計の高精度比較で、時間のずれが見つかれば、現在の物理学の暗黙の仮定を覆す可能性があります。例えば、楕円の公転軌道のために太陽からの重力が１年を通して変化する地球上で、もし、異種の原子時計の進み方が異なれば、微細構造定数と重力との結合を示唆することになります。このような実験的な挑戦は、宇宙誕生の謎を紐解く鍵となるかもしれません。