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超高精度の時計が切り開く未来 海底・宇宙で展開、自然災害の予兆把握

私の同僚の香取秀俊・理化学研究所主任研究員(東京大学教授との兼任)は相対精度が10の18乗に及ぶ超高精度の時計を開発している。これは約1000個の原子(セシウムやストロンチウム)をレーザーで作った格子状の井戸の中に閉じ込めて冷却し、高統計・高精度でそのスペクトル線を測定する装置で、光格子時計といわれている。

 一般相対性理論によると、重力ポテンシャルの中では時間の進みが遅い。つまり、地上でも低い場所の方が高い場所よりほんのちょっと時の進みが遅いことになる。そこで、東京都文京区にある東大と埼玉県和光市にある理化学研究所の2つの研究室を光ファイバーで結合し、2つの光格子時計の進みを比較したところ両所の高低差(約15メートル)に対応する差が見られた。

 さらに、東京スカイツリーの天望回廊(高度450メートル)に光格子時計を設置し、地上に置かれたそれとの比較を現在試みている。

 18桁の精度では、例えば建物の廊下を10メートルほど進んで帰っただけで双子効果による時間の進みの差が検出できる。ガモフの「不思議の国のトンプキンス」そのままの「不思議」な世界だ。

 次の目標は、光格子時計を小型・軽量化しさまざまな場所で時間を測定することだ。その場所の高さや重力加速度の長期にわたる測定がかつてないほど高精度で可能になる。特に重要なのは、GPS(衛星利用測位システム)の電波が届かない海底の高さの変化だと私は考える。海底で起こる地震の予兆を捉えることができるかもしれない。

 また、宇宙での測定も重要だ。地殻変動や大気乱流などの外乱が極端に少ないので地上実験に対してより高精度の時間測定の余地がある。これを用いてさまざまなタイプの相対論の検証がより高精度で行われるだろう。その結果としてより高精度の測地座標系が定義できる。

 まずは手始めに、光格子時計を国際宇宙ステーションに設置する検討を理化学研究所とJAXA(宇宙航空研究開発機構)の有志で始めている。そこでの技術実証は、超高精度測地や衛星軌道決定、惑星間空間に展開した大規模な重力波アンテナ、もしくは光干渉計のネットワークへの実現への第一歩だ。18世紀以来、時を制するものは海を制してきた。21世紀は、時を制するものが宙(そら)を制するかもしれない。

フジサンケイビジネスアイ 2019年4月25日
許可を得て転載