時間測定: 科学技術への挑戦

セシウム原子の噴水付き原子時計 — 重さ 200 kg、高さ 1.5 m のセシウム原子噴水原子時計は、米国の時間と周波数の主要な標準です。この時計は非常に正確なので、1 億 3,800 万年に 1 秒しか遅れたり増えたりしません。画像出典: NIST (国立標準技術研究所)。

時間の仕組み: より細かい尺度

人間は常に時間の経過を測ってきました。

と日時計、1 日は時間に分割され、時計は時間を分と秒に分割しました。しかし、これだけでは時間の経過を避けるには十分ではありません。科学者たちは、時間を測定するためのより正確なメカニズムを発見しました。

何世紀にもわたって、ノーモン、水時計そして砂時計時間を測るために使われていました。その後鐘宗教者によって毎時間活性化され、振り子時計が現れました。 1657 年にクリスティアンホイヘンス (1629-1695) が最初のデザインを設計しました。振り子時計、その発振周波数は比較的一定でした。この機構は時間の経過とともにわずかに改良され、ほぼ 300 年間使用され、1 秒オーダーの精度を達成しました。

電気時計や電子時計、クォーツ時計が徐々に振り子に取って代わりました。 20 世紀には、物質の性質により時間測定の精度が大幅に向上しました。

現在、原子時計は最高の精度を実現しており、10 秒に達します。^-102番目はセシウム133。 21 世紀初頭からは、時間の計測において物質に代わって光が使用されるようになり、その精度はさらに 10 分の 1 に向上しました。^-122番目に光学系のおかげです。

特定の原子、特に原子の同位体の固有振動数は時計として機能しました。セシウム133原子その振動はインパルスを発します。セシウム 133 にレーザーが照射されると、セシウム 133 が振動し、周波数 9,192,631,770 Hz の光パルスを放射します。この周波数では、この時計の精度は、約 1 億年ごとに 1 秒しか遅れたり増えたりしないほどです。

注: セシウムはアルカリ金属であり、その名前の「caesius」はラテン語で「空の青」を意味します。そのスペクトルは 2 つの特徴的な水色の線を放射します。セシウムは1861年に発見されました。ロベルト・ヴィルヘルム・ブンゼン(1811-1899)グスタフ・ロベルト・キルヒホフ(1824-1887) ケイ酸塩であるレピドライトの分光法による。

フォンテーヌ・ダトムの原子時計の作動

あ原子時計は水晶発振器です原子の 2 つのエネルギー準位間の遷移の固有振動数に従属します。最初の原子噴水は 1989 年にナトリウム原子を使って作動しました。現在、それは原子時計に使用されるセシウム原子（133Cs）の安定同位体です。

すべてはセシウムを含む加熱された部屋の中で起こります。このチャンバーで原子のジェットを作成します。磁場による数回の操作の後、原子のジェットはラムジーと呼ばれる共鳴空洞に入ります。ノーマン・フォスター・ラムジー（1915年 - 2011年）彼は1950年に初めてそれを提案しました。

励起または基本の 2 つの準位のいずれかで原子を準備した後、これらの原子は多かれ少なかれ一方の準位からもう一方の準位に移動します。巨視的な振動子の周波数は、原子遷移の最大値付近にロックされたままになるように永久に修正されます。これは、この励起に対するセシウム原子の応答です。したがって、周波数は 9,192,631,770 Hz になります。この正確な値が秒を定義します。

時間の測定は、値を表示する電子回路や、安定した高い動作周波数を必要とする制御装置に関連付けられた水晶発振器の振動を分割することによって保証されます。

極めて高い秒精度は何に使われるのでしょうか?

私たちの地球上の時間の正確さは、相互接続された一連のシステムとテクノロジーによって保証されています。これらの原子時計は、原子 (セシウム、トリウム、ルビジウムなど) の振動を利用して、極めて正確に時間を計測します。これらは、多くのシステムが適切に機能するために必要な現代の標準の基礎です。

これらのシステムは連携して時刻の測定と高精度な同期を保証します。これは、金融取引から電気通信やナビゲーションに至るまで、多くの現代のアプリケーションにとって極めて重要です。

協定世界時 (UTC): UTC は、世界中の時計を調整するために使用される主な時間標準です。これは、世界中のいくつかの原子時計のデータを組み合わせて、国際度量衡局 (BIPM) によって維持されています。
全地球測位システム (GPS): GPS 衛星には、正確な時刻信号を提供する原子時計が含まれており、ナビゲーションだけでなく、通信ネットワークや金融インフラの同期にも使用されます。
天文台: 地球の自転や星の動きなどの天体の動きの観測は、特に必要に応じてうるう秒を追加することによって UTC 時間を調整するために使用されます。
国立計量研究所: 米国の NIST やフランスの LNE-SYRTE などの組織は、国の時刻標準を維持し、世界的な同期に貢献しています。
同期ネットワーク:通信ネットワークは、ネットワークタイムプロトコル (NTP) などのプロトコルを使用して、世界中のコンピューターとサーバーの時計を同期します。