相対性理論「時間の遅れ」、日常世界で実証
米国立標準技術研究所(NIST)が開発したチップサイズの原子時計(今回の研究とは別のもの)。画像はWikipedia
きわめて正確な原子時計を使って、科学者たちが「時間の遅れ」を観測した。これは、[運動や重力によって]時間の進み方に違いが生じるという奇妙な現象であり、アルベルト・アインシュタインが相対性理論において予言していたものだ。
「非常に精度の高い現代の技術をもってすれば、とらえるのが困難なこれらの効果を、リビングルームのような場所でも観測することができる」と、セントルイスにあるワシントン大学の物理学者Clifford Will氏は話す。
時間の遅れ現象は、2つの状況下で起こる。1つは、地球など巨大な物体の近くにいるほど、時間の進み方は遅くなるというものだ。たとえば、熱気球に乗って上空にいる人は、地上に立っている人よりも速く年を取ることになる。[一般相対性理論によると、重力は時空を歪ませ、時間の進みを遅らせる。このため重力場の存在する惑星上では、重力の無い宇宙空間に比べて時間がゆっくり進む事になる]
もう1つは、静止している状態では、動いている状態と比べて時間が速く進むというものだ。この2番目の奇妙な理論は、アインシュタインが[特殊相対性理論として]提示した後、「ウラシマ効果」として知られるようになった。つまり、25歳になる双子の兄が、ロケットに乗って光速に近い速度で移動する場合、数ヵ月後に地球に戻ってみると、双子の弟はすでに中年の年頃になっているという思考実験だ。[この際に生じる理論的パラドックスを双子のパラドックスと呼ぶ]
一般および特殊相対性理論が予測したこの奇妙な現象は、すでにロケットや航空機を用いた実験で証明されている[航空機に載せた原子時計の進みがごく僅かに遅れる事が、実験によって確認されている]。
また、地球に近いほど時間の進み方が遅くなるということについては、ハーバード大学にある物理学研究棟で実験が行なわれ、実証されている。[1960年、パウンドとレプカは可視光よりもずっと振動数の高いガンマ線での無反跳共鳴吸収効果(メスバワー効果)を利用して、ハーバード大学の時計台での22メートルの高低差で 2.4 × 10-15 という非常に小さいずれを検出することができた]
GPSデバイスなどの時計も、相対性理論的な影響を受けるため、正確に時を刻み続けるように適宜補正がなされている。[GPSでは、GPS衛星の周回運動による時間の遅れと、重力場の影響によるシグナル到達の時間の遅れを考慮する必要がある。地球上の測定器が受信する信号が正確に処理されるように、衛星側の内蔵時計は、毎秒100億分の4.45秒だけ遅く進むように補正が行なわれている]
『Science』誌の9月24日号に発表された今回の研究は、コロラド州ボールダーにある米国立標準技術研究所(NIST)で行なわれたものだ。
NISTの物理学者James Chin-wen Chou氏ら研究チームは、2つの光学原子時計を、それぞれ近接した研究室の鋼鉄製の台の上に設置した。2つの時計はいずれも電荷を帯びたアルミニウム原子、すなわちアルミニウムイオンを用いており、それが2つのエネルギーレベルの間を1秒に1000兆回以上も振動する。この2つの時計を、長さ75メートルの光ケーブルで接続し、それぞれの時間の進み方を比較できるようにした。
最初の実験でChou氏らは、油圧ジャッキを使って、一方の時計を設置した台を33センチメートル持ち上げた。すると予想通り、低い位置にある時計のほうが、持ち上げられた時計よりも時間の進み方が遅かった。その遅れは、79年間で「1秒の900億分の1」程度だ。
2度目の実験では、一方の時計のアルミニウムイオンを、電場を用いて振動させた。これも予想通り、イオンを運動させた時計のほうが、静止していた時計よりも時間の進み方が遅かった。
今回の実験は、相対性理論の証明というよりは、原子時計の驚異的な精度の方に意味がある、とChou氏は説明している。[超高精度の原子時計に更に改良が加えられれば、物理測地学の分野で、地球の重力場を極めて高い精度で計測できるようになると期待されている]
米国の標準時のベースとなる原子時計システム。画像は英文版Wikipedia
[日本語版：ガリレオ-高橋朋子／合原弘子]
