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时间を正确に测ること。それは、自然界の中から、「不変な周期现象」を见つけ出す试みでした。

図1：香取教授のつくった光格子时计
© 2015 香取秀俊

かつては地球の自転や公転という周期现象が时间の「ものさし」に使われていました。ところが、たとえば、地球の自転は潮汐摩擦によってだんだん遅くなります。このものさしの精度をグッと向上させたのが、1955年に発明されたセシウム原子时计です。これは、その后大きく进歩し、今では絶対零度近くまで冷やしたセシウム原子が吸収するマイクロ波の振动数を利用し、3000万年に1秒も狂いません。

そして、东京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の香取秀俊教授が挑戦しているのはなんと、宇宙の年齢の2倍以上の、300亿年で1秒も狂わない超高精度の时计、「光格子时计」です（図1）。

なぜそんなに高精度で时间を测りたいのか？

図2：测定対象と目盛りの関係
測定の精度は、その目的に応じて設定します。同じ3分程度の時間を測る場合に、それがお湯を注いでからカップラーメンができあがるまでの時間は1分間隔の目盛りで十分ですが（左）、世界の陸上選手がタイムを競う1500メートル走の時間は 10ミリ秒間隔のもっと細かい目盛りが必要です（右）。
© 2015 東京大学

さて、ふつうに暮らしている限りは、3000万年に1秒の误差を気にすることはありません。それなのになぜ、香取教授はさらに3桁も精度を上げ、300亿年に1秒の误差、すなわち、10^－18秒まで测れる时计を作ろうと考えたのでしょうか？

それには、アインシュタインの「特殊相対性理论」と「一般相対性理论」が関わってきます。特殊相対性理论によると、动いている物体では时间がゆっくりと流れます。また、一般相対性理论によると、重力が强いところでは时间がゆっくりと流れます。ところが、人が歩く程度の速さや、高低差1肠尘で生じる重力エネルギーの差による时间の遅れはごくごくわずかで、いまの原子时计では测ることができません。しかし、18桁の有効数字で时间を読める时计なら、この日常生活に现れる时间の遅れさえ捉えることができるのです。

光格子时计の原理

セシウム原子时计に代わる次世代原子时计の最有力候补は、絶対零度近くまで冷やした荷电粒子1つを电极の间にトラップし、100万回もの计测を繰り返して正确な振动数を测定するイオントラップ法と考えられてきました。これでは、18桁の时间を読むのに10日もかかります。

図3：光格子の模式図
复数本のレーザーの干渉によって、卵のパックのような原子の容れ物（＝光格子）を作ります。原子がこの容れ物の中に1つずつ収まるように入れます。
© 2015 香取秀俊

イオントラップ法でより正确な时计を作ろうとする机运が盛り上がる中、「すでに筋道の立てられた方法を改良していくよりも、みんなを惊かせるような新しいことをやりたい」と语る香取教授は、100万个の原子を集めて1回だけ计测すればいいじゃないかと「光格子时计」を提案しました。

光格子时计ではまず、レーザーを使って卵のパックのような原子の容れ物（＝光格子）を用意します。このとき、容れ物の存在を原子に気づかれないようにするのがポイントです。このために香取教授が见つけたのが、「魔法波长」と名付けた特别な波长のレーザーでした。

次に、絶対零度近くまで冷やしたストロンチウム原子を容れ物の中に1つずつ収まるように入れます。そうしたうえで、すべての原子を同时に计测します。香取教授は、现在1000个の原子を使って実験していますが、将来的には、100万个の原子を同时に计测する予定です。こうすることで、イオントラップ法よりも100万倍速い、正确な时间の测定が可能になります（図3）。

完成した光格子时计

香取教授が理論を発表したのは2001年。基礎実験に成功したのが2003年。「もう10年以上も18桁の精度の実現を目指してきました」と語る香取教授は、2014年、ついにその精度の時計を実現し、2015年にNature Photonics誌で発表しました。

図4：未来の光格子时计
光格子时计を载せた自动车の运転経路をさまざまに変えて时间の遅れを测定していくことで、重力ポテンシャルのマッピングが可能となります。重力ポテンシャルに异常が见られる场所には、隠れた资源などが眠っているかもしれません。
© 2015 香取秀俊

15桁の精度でしか时间の定义が実现されていない状况で、18桁の精度の时计ができたと宣言するのは、1秒刻みの目盛りしかない时计で、1ミリ秒の违いを测るようなものです。香取教授は、同じ原理を用いた2台の时计を作り、2つの针（目盛り）がピタリと一致することでもってこの难题に答えました。

さらに今、香取教授の実験室がある东京大学と理化学研究所のそれぞれで18桁の精度の时计を开発し、光ファイバーでつなぐ実験を进めています。2箇所の高低差は约15尘。光格子时计を使って时间の进み方の违いを示すこの実験は、一般相対性理论の原理を応用する新しい测地技术の実証です。

実は、相対性理论からの帰结として、同じ时间を2つの场所で共有することは、难しいことです。同じ时间を测っているはずが、実は2カ所の重力ポテンシャルの差だけずれてしまいます。光格子时计は、重力ポテンシャル计や高度计としての役割を担うようになります。

精密な重力ポテンシャル计で、火山の喷火や津波の到来が観测できるかもしれません。光格子时计の正确な时间が広く普及すれば、谁も予想もしない新しい使い方が登场することでしょう（図4）。自分のアイデアが自分の想像を超える日がくることを梦见て、香取教授は研究を続けます。

取材?文：堀部直人

取材协力

香取秀俊教授

リンク

论文情报

Ichiro Ushijima, Masao Takamoto, Manoj Das, Takuya Ohkubo & Hidetoshi Katori, “Cryogenic optical lattice clocks”, Nature Photonics (2015), doi: 10.1038/nphoton.2015.5.
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