2 つの物理学者チームが世界初の核時計を作成しました。これらの根本的な新しい装置は、原子時計が 1 秒の長さを定義するために現在使用している電子のエネルギー状態ではなく、原子核のエネルギー状態の変動を利用して時間を刻みます。
核から「ダニ」を取り出し、それを使って時間を計る方法のテストは20年以上続いた。原子核は妨害されにくく、結晶によって保護されているため、核時計は現在入手可能な最高の時計よりも強力で持ち運びが容易である必要があります。それらは、いつかより正確になることに加えて、物理学者に原子核の内部で働く力を研究するための前例のない方法も提供します。
2つの核時計は、ヨーロッパのチームによって6月3日と7日にarXivプレプリントサーバーで公開された2つの研究で実証されました。1 そして中国2。イスラエルのレホヴォトにあるワイツマン科学研究所の理論物理学者ギラッド・ペレス氏は、核時計が「可能性」を秘めたシステムから、新たな物理学の探索に使用できる「機能する精密機器」に変わったことを示していると語る。
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核時計の作成は「夢が叶った」とウィーン工科大学の原子物理学者で欧州チームの主要メンバーであるトルステン・シュム氏は言う。最近まで、この分野は働くのに「穏やかなニッチ」だった、と彼は言う。 「現在、我々は熾烈だが友好的な世界的な競争を繰り広げている。」
ティックトック
すべての時計は、時間を刻むために、振り子のように安定した振動を必要とします。最良の原子時計では、この振動は、電子がエネルギー準位間を飛び越えるときに吸収される光の可視波長の振動です。物理学者は、電子状態のこの変化を引き起こすのに必要なレーザー光の特定の周波数を決定し、その周波数を使用して時間を計測します。
違う核時計。電子をエネルギーレベル間でジャンプさせる代わりに、トリウム 229 原子核内の陽子と中性子をより高いエネルギー状態に高めることで時間を維持します。ほとんどの元素は原子核を再配置するのに膨大なエネルギーを必要としますが、トリウムは例外的です。なぜなら、トリウムは安定したエネルギー準位が非常に近く、紫外線レーザー光の衝撃だけで変化を引き起こすことができるからです。
物理学者は何十年もの間、トリウムの特殊な特性を疑っていましたが、2024年になってようやく、数兆個のトリウム229原子が詰まったミリメートルサイズのフッ化カルシウム結晶の核転移を引き起こすことができました。その年の後半に、別のチームがこれが発生する正確な頻度を特定しました。
核時計が機能するために欠けていた唯一のものは、レーザー周波数を自然の計時装置にロックし、時間の経過とともに時計の時を刻む速度がドリフトしないようにする方法でした。両チームは、レーザー光がトリウム 229 原子にどの程度吸収されるかを監視することでこれを達成しました。レーザーが適切な範囲内にある場合、光子が吸収されるにつれて信号強度が低下するとシャム氏は言います。しかし、周波数がドリフトすると、「信号が再び上昇するのがわかり、すぐに修正できます」と彼は言います。
これらのグループは正確な方法が異なっていた。北京の清華大学の物理学者、Shiqian Ding氏が率いる中国のグループは、ヨーロッパのものよりもはるかに強力なレーザーを使用したが、トリウム229原子の濃度が低い結晶を使用したため、2つの時計によって生成される信号は全体的に類似していた。
どちらのグループの時計も確実に到達し、1 日の誤差は 300 万年で 1 秒に相当します（ただし、現時点では、これは 400 億年ごとに 1 秒増減する最高の光原子時計の安定性をまだ下回っています）。
新しいウィンドウ
時計をさらに開発する計画が現在加速しています。原子時計と比較して、水晶ベースの核時計は環境擾乱の影響を受けにくく、極端な冷却なしでも機能します。これにより、ナビゲーションおよび通信デバイスで使用するための「コンパクトで堅牢な光時計への道が開かれる」と Ding 氏は述べています。シャム氏によると、水晶を使った核時計はすでに商業的に開発されているという。
他の研究者は、最高の原子時計よりも正確である可能性のある核時計の作成に取り組んでいます。核遷移を引き起こす光は原子時計に使用される光よりも高い周波数であるため、理論的には、核時計は時間をより細かくスライスできるはずです。しかし、これにはトリウム 229 を結晶に埋め込むのではなく、分離する必要があります。これは「まだ探求されていない重要な道である」と、ブラウンシュヴァイクにあるドイツ国立計量研究所 PTB の物理学者で、欧州チームを率いたエッケハルト・ペイク氏は言う。
現在でも、核時計は基礎物理学を研究する新しい方法を提供しています。理論家は、特定の形態の暗黒物質が原子核を結合する基本的な力の強さを変化させ、遷移周波数に測定可能な変化を引き起こすと予測しています。動作クロックがあることで継続的に機能するセンサーが作成され、以前よりもクリーンで高速な研究が可能になるとペレス氏は付け加えます。 「すごいですね」と彼は言う。 「私たちは新たな分野の誕生に立ち会っていると思います。」
シャム氏は、特定の観察可能な効果を生み出す珍しい理論を調査するために時計を使用したいと考えている理論物理学者から週に数通の電子メールを受け取ると述べています。 「最終的には、さまざまな効果に適したさまざまなタイプのクロックを使用する必要があります。」
この記事は許可を得て転載されており、 初公開 2026 年 6 月 22 日。
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