宇宙誕生の138億年前から1秒もずれない「原子核時計」実現に一歩前進、日本人が活躍する「次世代型時計」開発の意義

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茜 灯里
＜原子核時計が実用化されれば、地球や宇宙のどんな謎が解明されるのか。超高精度な「次世代型の時計」を開発する意味とは？　時間単位の歴史を踏まえて概観する＞

ヒトは、時間を客観的に確認する手段として時計を考案し、より精密に測定できるように開発してきました。人類の歴史とともに日時計、振り子時計、クォーツ時計と発展し、現在、実用化されているものの中では、原子時計が最も精度の高い時計です。

腕時計や壁掛け時計でおなじみの一般的なクォーツ時計は、誤差が1カ月で15～30秒になります。セシウム133を用いた原子時計は、最高精度のものの誤差は1億年に1秒程度です。

私たちが入手できるもの、つまり商業的に流通している時計の中で、もっとも正確に時間を刻むものは電波時計やGPS時計です。これらは、電波に載せられた原子時計による正確な時刻情報を1日に数回受信して、誤差を修正できる機能を追加したクォーツ時計の一種です。誤差は、およそ10万年に1秒とされています。

ヒトの寿命の間では1秒もずれない時計が実現しているにもかかわらず、研究者たちは現在、原子時計よりも正確な「次世代型の時計」を何種も開発中です。そのうち、最高精度の原子時計よりも2～3桁少ない誤差が達成できる、つまり宇宙の始まりである138億年前から現在に至るまでの間でも1秒もずれないという超高精度の「原子核時計」は、10年内に実現可能と予測されています。

ただし原子核時計の実現には、用いられるトリウム229の時計としての利用に適した励起状態が、①何ボルトで起こって、②どれくらいの長さ続くかを調べなければなりません。今までは、①のみしか解明されていませんでした。

理化学研究所（理研）香取量子計測研究室の山口敦史専任研究員や東北大、高エネルギー加速器研究機構（KEK）などによる共同研究チームは、原子核時計の実現に不可欠なトリウム229のアイソマー状態（準安定な励起状態）の寿命を決定しました。研究成果は科学総合学術誌「Nature」に4月17日付で掲載されました。

超高精度な時計の開発は、なぜ待ち望まれているのでしょうか。原子核時計が実用化すると、地球や宇宙のどのような謎が解き明かされると期待されているのでしょうか。概観しましょう。

時計の開発と時間単位の歴史

正確な時計の開発は、「秒」の定義の変遷にも大きく関わってきました。

そもそも、現在使われている60進法の時間単位が考案された紀元前2000年頃のシュメールや、1日を昼12時間、夜12時間と分けた同時代の古代エジプトでは、日時計を使っていたので「秒」を正確に測ることは困難でした。