ロレックスもいいけど これ 真にエレガントな時計です。物理学者の報告によると、新しいタイプの時計は、物質の最小単位の重さを量ることによって時間を計っています。動作が異なる標準の原子時計と比較すると、新しい時計はお粗末な時間を刻んでいます。しかし、質量と時間を関連付けることで、この技術はキログラムの量子力学的な再定義につながる可能性があります。
「この素晴らしい実験は、キログラムを再定義する道が開かれていることを示しています」と、コロラド大学ボルダー校と国立標準技術研究所が共同で運営する研究所、JILA の物理学者であるジョン ホールは言います。
標準的な原子時計は、原子が特定の周波数で光などの電磁放射を吸収できるという事実を利用して、その内部構造が「量子状態」から別の「量子状態」にジャンプします。時計は本質的に、そのような周波数に調整された放射に原子をさらし、時計の刻みとして機能します。公式の世界時間を保持する原子時計は、1016 年に 3 分の 1 の精度であるため、1 億年で 1 秒未満の誤差しかありません。
カリフォルニア大学バークレー校の物理学者 Holger Müller は、別の方法で時間を計ることができるはずだと述べています。質量のある粒子は、粒子がそこにあるだけでも上下に振動する量子波によって記述されなければなりません。原子が重いほど、その羽ばたきの周波数が高くなり、これはコンプトン周波数として知られています。原理的には、量子振動を利用して時を刻むことができます。
実際には、原子のコンプトン周波数は電子カウンターで測定するには高すぎます。そのため、ミュラーと彼の生徒であるショウユー ランと同僚たちは、アルバート アインシュタインの相対性理論を利用した実験で、それを追跡する方法を考案しました。その様子は、今週 Science でオンラインで報告されています。 .
研究者は、セシウム原子が宇宙空間を検出器に向かって落下することから始めます。その過程で、原子はわずかに異なる周波数を持つ 2 つの対向するレーザーのパルスに遭遇し、原子の内部構造を変化させることなく、原子を優しく微調整します。パルスは雲を 2 つに分割し、雲の半分は通常どおり落下します。もう1つは前半から押し上げられ、その後、追いつくために押し戻されます。
ここに相対性理論が入ります。ナッジされていない雲の半分から見ると、後半は離れてから戻ってきます。その後半部分は 1 秒あたり数センチメートルで動いているため、アインシュタインの特殊相対性理論によって予測された奇妙な時間の遅れのおかげで、その時間はほんの少し遅くなるように見えるはずです。そのため、雲のその半分の量子波は、雲の前半の量子波よりもわずかに遅く振動します。
雲が再結合すると、その振動の違いが重なり合い、「干渉」する方法に影響を与えます。研究者が 2 つのレーザーの周波数の差を適切に調整すると、再結合する波が「建設的に」干渉し、雲が検出器に落ちます。そしてその状態では、単純な方程式は、時計のカチカチ音のように読み取ることができる「差周波数」を、原子のコンプトン周波数と2つのレーザーのはるかに低い平均周波数に関連付けます。
これは、レーザーの厄介な平均周波数の存在を除いて、研究者が望んでいることのほとんどです。その周波数が独立した入力のままである限り、スキーム全体はそれを設定するために使用されるクロックに依存し、それ自体は独立したクロックではありません。この問題を回避するために、研究者は周波数コムと呼ばれる精巧なフィードバック システムを採用し、レーザーの平均周波数を差周波数の既知の倍数に固定します。平均レーザー周波数は式から外れ、差周波数はコンプトン周波数の既知の分数に設定されたままになります。したがって、時計の時を刻む速度は、セシウム原子の質量のみによって設定されます。
この実験は「力作」であると、周波数コムの開発における役割で 2005 年にノーベル物理学賞を受賞した Hall は言います。しかし、装置の精度は 1 億分の 1 に過ぎないため、原子時計と競合できるという主張は、「カリフォルニアでは特定の物質の喫煙が合法であると信じるように導く」と彼は言います。
このアプローチの真の価値は、キログラムを再定義することにあるかもしれない、とホールは言う。キログラムは、フランスのセーヴルにある国際度量衡局が保管している物理的なアーティファクトであるプラチナ イリジウム シリンダーによって定義された国際単位系の最後の物理単位です。しかし、その基準は何十年にもわたって繰り返しきれいにされているため、着実に軽くなってきていると彼は言います.
コンプトン周波数の測定は、単位を定義する別の方法を提供します。研究者は、原子の質量を得るためにその周波数を掛ける必要がある数であるプランク定数を簡単に定義できます。原子のコンプトン周波数を測定すると、その質量の正確な値がキログラム単位で得られます。実際、ミュラーの実験は、既存の単位系内でのプランク定数の測定値として再解釈できると、ホールは言います。パリのエコール・ノルマル・シュペリウールのフランソワ・ビラベンが率いるチームは、非常によく似た技術を使用して、より優れた測定を行っていると彼は付け加えた.
キログラムがこのように再定義されたとしても、それを日常生活の巨視的なスケールに変換するにはまだ作業が必要です. JILA の物理学者であるスティーブン・カンディフは、「原子の微視的な質量から、1 キログラムの砂糖を購入するときにそれが 1 キログラムであることを保証するためにスーパーマーケットに持ち込めるようになるまでには、長い道のりがあります」と述べています。 Avogadro Project と呼ばれるキログラム定義のイニシアチブを持つ研究者は、正確な数の原子を含むシリコンの球体を作ることで、このギャップを埋めようとしています。科学者がシリコン原子の質量を突き止めることができれば、球はその質量を巨視的なスケールに変換するでしょう。