原子時計による秒

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原子時計による秒

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/03/26 14:44 UTC 版)

「秒」の記事における「原子時計による秒」の解説

新たな定義は、アルカリ金属であるセシウムを用いた原子時計によるものである。セシウムは天然では原子量133の元素のみが存在し、かつその沸点は671℃と低く、他の元素に比べて使いやすいために、原子時計に採用されていた。そのため、観測によってのみしか決定できない地球の公転よりも、実験室で求めることが可能な原子時計を直接用いて秒の定義を決めることが効率的と考えられた。これには、量子力学の原理から、すべての133Cs原子には個別の差が存在しないため、原理的に同一の定義が可能という特色もある。 1955年6月にイギリスの国立物理学研究所 (NPL) がセシウム原子時計を実用化すると、いくつかの国家は原子時計を導入し、時系の運用に使用し始めた。まず、原子時計には誤差の徹底的な洗い出しと対策が施され、そしてアメリカ海軍天文台 (USNO) のウィリアム・マーコウィッツ（英語版）とイギリス国立物理学研究所（NPL）のルイ・エッセン（英語版）によってセシウム原子の超微細遷移周波数と暦表秒との関係が求められた。マーコウィッツとエッセンは、3年間の共同研究を経て1秒が9192631770周期だという数値を得た。これは、1951年にマーコウィッツが発明した星と月の動きを同時に追える月観測用カメラをUSNOが2台、大西洋を挟んで並列で設置し、月による星食から、高精度の暦表時を確認することで得られた。また、この観測でNPLは、アメリカ内陸部コロラド州の標準電波局（英語版）短波放送による識別信号を使い、2台の原子時計の比較調整を行った。 1956年に国際度量衡委員会 (CIPM) の下部機関として設置された、「秒の定義に関する諮問委員会 （CCDS、現CCTF）」第1回会議で、エッセンはセシウム原子時計と天文時系の比較結果を報告し、セシウム原子周波数標準を秒の原器にするよう強く主張した。しかしその会議では、メートルの定義をメートル原器からクリプトン原子波長に置き換えた前例と同じように、10年間ぐらいは各種周波数標準と比較研究する必要があると結論された。 その後、1964年には、第12回国際度量衡総会 (CGPM) で高度の時間計測のために原子的標準に到達する緊急性を認め、CGPM決議5による委任に基づいてCIPMで時間の物理学的測定のために暫定的に用いるべき原子又は分子に基づく周波数標準の指定を行った。そして、40カ国の代表が参加した1967年の第13回CGPMにおいて、現在の原子時計によるSIの秒の定義が決定された。日本の法令では、1972年（昭和47年）に改正された計量法で、「秒は、セシウム133の原子の基底状態の二つの超微細準位の間の遷移に対応する放射の周期のTemplate:Va倍に等しい時間として現示する」とされ、秒を東京天文台が現示する定めがなくなり、どの機関が現示するのかは明示されなくなった。さらに、1992年（平成4年）に旧計量法が全部改訂され、新たな計量法の規定に基づく計量単位令により、秒は定義だけが示され、国の機関が秒を現示する定めはなくなった。1997年の国際度量衡局 (BIPM) の会議では「秒の定義は0 Kの下で静止した状態にあるセシウム原子に基準を置いている」という声明が出された。しかし現実には、絶対零度、止まった原子、そして外部からの電磁波等を全く排除した状態を作り出すことは事実上不可能であり、この理想状況との差異を評価して補正を加えなければならない。これを自動で行う機器の例には、一次周波数標準器がある。日本では、法令で秒を現示する指定がない状態が継続していたが、2003年（平成15年）に、秒の現示に代わって時間（秒）の逆数で表される周波数について、周波数標準器が経済産業大臣から特定標準器として指定された。なお、国家標準（特定標準器）には、独立行政法人情報通信研究機構（NICT）と独立行政法人産業技術総合研究所計量標準総合センター（NMIJ）の周波数標準器（原子時計）が指定されている。 この補則は SI 秒の定義が、黒体輻射により摂動を受けないセシウム原子に基づいていることを明確にしている。すなわち、周囲環境が熱力学的温度で0 K である。