TANOKAGA! ~たのしい科学~

教科書では語られない科学ネタの紹介・解説を中心とした、学生向けのブログ

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ここは、私が「気になった科学ネタ」「自作した動画教材」などを紹介するブログです。

教科書には詳しく載っていない事柄で、かつ授業で使えるかもしれないネタを中心に記事にしようと思います。 視聴覚素材の利用や、わかりやすい解説で、中学生や高校生が理解できる記事を書いていきたいです。
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前回の記事では、電波時計の仕組みと、時刻情報をしるした標準電波について解説しました。
超正確な時刻を刻む標準電波の大元は、セシウム原子時計という時計です。このセシウム原子時計が生み出した”秒”が、私たちの生活を支えているのです。

今回は、このセシウム原子時計の仕組みついて解説します。
原発事故で、セシウムの存在は悪い意味で世の中に知れ渡ってしまいましたが、実はセシウムはとっても重要な元素なんですよ。
解説は以下から。
セシウム原子時計の仕組みは意外と単純なものです。

まず原子には、大まかに分けて、基底状態(きていじょうたい)励起状態(れいきじょうたい)の2種類のエネルギー状態があることを押さえておきましょう。
基底状態とは、原子が持っているエネルギーが低い状態。励起状態とは、原子が持っているエネルギーが高い状態のことです。
エネルギーというものは目に見えないものなので、実感するのは難しいですが、ここではそういうものがあるという程度の認識だけで構いません。ただ、誤解して欲しくないのは、原子そのものが何らかの変化を起こして別モノに変わってしまうわけではありません。

さて、セシウム原子時計で使われているのは、名前の通りセシウムCs原子です。
基底状態(低エネルギー状態)のセシウム原子には、特定の周波数のマイクロ波(電波の一種)を当てると、励起状態(高エネルギー状態)になる性質があります。
特定の周波数とは、9,192,631,770Hz(ヘルツ)です。およそ9GHz(ギガヘルツ)ですね。

この周波数のマイクロ波を当てられたセシウム原子は励起状態になりますが、周波数が若干ずれるととたんに励起状態にならなくなります。
つまり、励起状態になったセシウム原子が多く生じれば、9,192,631,770Hzのマイクロ波が正確に当てられているという証明になりますね!

原子時計はその証明を利用して”秒”を決めているのです。
なぜそれだけで正しい秒が決められるのでしょうか。理由は単純です。そもそもHzという単位は、「1秒間に振動する回数」ですよね。つまりHzが分かればそこから計算して秒が決められますよね。

マイクロ波発信装置からセシウム原子に向けてマイクロ波を浴びせます。きっかり9,192,631,770Hzのマイクロ波であれば、励起状態のセシウム原子が増えるはずです。励起セシウム原子が増えていれば、正しい周波数のマイクロ波が出ていることが分かり、そこから正確な秒が決められます。
一方で、マイクロ波を当ててもセシウム原子が励起しなければ、当てているマイクロ波の周波数がずれてしまっていることがわかります。そうなれば発信しているマイクロ波を修正して、励起状態のセシウム原子が増えるようにすればよいわけです。

cs_clock.png

このようにして常に一定の周波数を出し続けることによって、正確な秒を導き出しています。
セシウム原子時計の誤差は、精度が高い物で数千万~1億年に1秒程度、精度が若干低いものでも数万年~数百万年に1秒程度という、ものすごいものです。
一般的なクォーツ時計の、1日に約1秒の誤差とは、比較するまでもないですね。

ではそもそも、なぜここまで正確な秒を求めなければならないのでしょうか。
例えば、時報やテレビ放送は正確性が必要とは言っても、数万年単位で誤差を考えなければいけないものではありませんよね?

正確な秒が必要で、かつ私たちの生活に密接に関わっているものに、GPS(全地球測位システム)があります。
位置情報を計測できるGPSはもともとアメリカが軍用として開発したもので、現在ではカーナビから携帯電話に至るまでたくさんの機器に搭載されています。
GPSは、複数の人工衛星から発せられる電波を受信し、三角測量(三角関数を用いる計測方法)によって計算して位置を求めます。計算には複数の電波の微妙な時間差が必要になってきますが、秒速30万キロメートルで飛ぶ電波の時間差はとってもわずかなものです。そのわずかな差を求めるには、超正確な秒が必要になるのです。

ちなみに、世界の時刻を決めるセシウム原子時計は1台ではありません。実際には、複数台ある原子時計が導き出した時刻を一度集約し、調整してから時刻を決めています。それには日本国内のみならず、世界中の原子時計が関わっています。
原子時計がいくら正確だとは言え、人間が作ったモノなので、どうしても機械によるクセが出るのです。複数台を用いることによってそのクセを抑えているのですね。

現在でも、セシウム原子時計よりももっと精度の高い時計の開発が進められています。目指している誤差は、100億年に1秒とも言われます。
正確な”1秒”を求める人類の挑戦は今後もずっと続いていくのです。
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記事を楽しく拝見さて頂きました。判りやすく解説して下さって有難うございます。ところで、この記事で人工衛星にセシウム原子時計が積まれている話をなされていますが、ここで一つ疑問があります。物体の移動するスピードが光速に近づけば近づくほど時間の流れる速度が遅くなるので、当然人工衛星に搭載されているセシウム原子時計も、ウラシマ効果により遅れが生じるはずです。そのズレを、果たして地上で修正しているのかどうかをご教示願えませんでしょうか?お忙しい中申し訳ございませんが、よろしくお願いします。

2013.05.03 14:18 URL | Xangeki!公爵殿下 #JHWVSXBY [ 編集 ]

Xangeki!公爵殿下さん、コメントありがとうございます。

なるほど、ウラシマ効果ですか! 考えたこともなかったですが確かにウラシマ効果によって人工衛星側の時計の進み方にわずかなズレが出る可能性は高いですね。
気になって調べたところ、Wikipedia(なので間違いないとは断言来ませんが)に該当する記述がありました。それによると間違いなくウラシマ効果は生じるので、人工衛星側に搭載されている原子時計の進み方をわざとずらしているそうです。それによってウラシマ効果による誤差が地上に影響を及ぼさないようにしているみたいですね。あまりに精度の高い時計だとこんなことまで考慮しなくてはいけないのだな、と、私も勉強になりました。

2013.05.12 19:10 URL | たのかが #- [ 編集 ]

回答有難うございました!

2013.05.12 20:31 URL | Xangeki!公爵殿下 #JHWVSXBY [ 編集 ]













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