【テクノロジー解説】「1秒」はセシウム原子が91億9263万1770回ふるえる時間:いまの時間の基準、セシウム原子時計を生んだ技術。1個の電子・1個のイオンをとらえる「わな」も(1989年ノーベル物理学賞)

プレ男「1秒」って、だれがどうやって決めてるの?

メル美セシウムっていう原子のふるえの回数で決まってるんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回は原子時計です。1989年のノーベル物理学賞の発表をもとにまとめました。

原子は決まった「色」の光を出す

• 量子の物理では、原子は決まったエネルギーの段階しかとれません。高い段階から低い段階に移るとき、そのエネルギーの差で決まる決まった周波数(色)の光などを出します
• この周波数を正確にはかれば、原子のしくみがわかり、正確な時計にもなります

2つに分けた電磁場で、するどく測る

• 1937年、ラビ博士は、原子のビームを磁場と振動する電磁場の中に通し、周波数がぴったり合ったときだけ原子のエネルギーの段階が変わる方法(原子ビーム磁気共鳴法)をつくりました。のちのNMRなどのもとになった方法です
• 原子が電磁場の中にいる時間が長いほど、測定はするどくなります。でも、磁場を長い距離で均一にするのがむずかしいことが問題でした
• 1949年、ノーマン・ラムゼー博士は、振動する電磁場を2つに分けて置く「分離振動場法」を考えました。すると干渉もようがあらわれ、そのするどさは、2つの電磁場の距離で決まり、あいだの磁場の均一さには左右されません。精度が大きく上がりました

プレ男2つに分けるだけで、精度が上がるのか!

セシウム原子時計と「1秒」

• ラムゼー博士の方法のいちばん大切な応用が、セシウム原子時計です。いまの時間の基準になっています
• 1967年から、1秒は「セシウム原子がちょうど9,192,631,770回ふるえる時間」と決められています
• セシウム原子時計の精度は、約10兆分の1(1989年当時)
• ラムゼー博士たちは、水素メーザーという、当時もっとも安定な電磁波のみなもとも開発しました。数時間〜数日の短い時間ではセシウム時計より安定で、大陸の移動のような、とても精密な測定にも使われました

1個の電子、1個のイオンをとらえる「わな」

• ヴォルフガング・パウル博士は1950年代、電場を使って、重さのちがうイオンを分ける方法を示しました。これはイオンの重さで分ける標準的な方法になり、イオンをとらえる「パウル・トラップ」に発展しました
• ハンス・デーメルト博士は1973年、わなにとらえた1個の電子を、はじめて観察しました。電子の磁石の性質をとても正確に測り、物理学の理論(量子電磁力学)のきびしいテストにしました
• 1970年代後半には、1個のイオンの観察にも成功し、ラムゼー博士の方法と組みあわせて、セシウム時計をこえる安定性が得られていました

1秒は、セシウム原子が9,192,631,770回ふるえる時間と決められています。その基準のセシウム原子時計を可能にしたのが、電磁場を2つに分けるラムゼー博士の方法です。1個のイオンをとらえる技術も、さらに精密な時計へつながりました。

時間のテクノロジーつながり

• 家の電波時計:電波時計が合わないときは
• 宇宙の年齢でも約5秒のずれ:1個の原子、1個の光の粒を「こわさずに」見る
• 衛星で位置を測る:GPSの誤差は10mから「数cm」へ

プレ男91億回以上ふるえて、やっと1秒。原子ってせっかちだね。

メル美その正確さが、世界の時間の基準を支えてるんだね。

まとめ

• 原子は、エネルギーの差で決まる決まった周波数の光などを出す
• 1949年、ラムゼー博士が電磁場を2つに分ける「分離振動場法」で精度を大きく上げた
• セシウム原子時計がいまの時間の基準。1秒=セシウム原子の9,192,631,770回のふるえ(1967年〜)
• 水素メーザーは大陸の移動の測定にも
• パウル博士とデーメルト博士が1個の電子・イオンをとらえる「わな」を開発(1989年ノーベル物理学賞)

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 1989. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1989/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)

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