【物理学】時空の歪みをより正確に測定する原子時計
Nature
時空の重力歪みを、地球の表面全体にわたって現在の方法より正確に測定できる次世代の光原子時計について報告する論文が、今週掲載される。この光原子時計は、重力波の検出、一般相対性理論の検証、および暗黒物質の探索に利用できる。
時間の経過は絶対的なものではなく、観測者の基準座標系に依存している。そのため、時計の計測は、相対速度、加速度、重力ポテンシャルに対する感度が高く、山頂に設置された時計は、山頂の重力ポテンシャルが地表よりも強いため、地表面に設置された時計よりも早く進む傾向がある。重力場の異なる場所に置かれた複数の時計を比較する際には、共通の基準面が必要となる。地球上でそのような基準面となるのがジオイド（全球規模の平均海水準と最も一致する地球重力場の等ポテンシャル面）で、現在は、全地球航法衛星システムによる高さの測定と重力を考慮に入れたジオイドモデルによる高さの測定によって決定されている。いずれの方法も数センチメートルの不確実性という制約があるが、原子時計の使用によってこうした不確実性を減らすことができる。
原子時計は、光周波数での特定の原子遷移の測定に基づいている。次世代の原子時計は、重力の相対論的効果に対する感度が高いため、ジオポテンシャルを測るプローブとして利用できる可能性がある。
今回William McGrewたちの研究グループは、3つの基本的ベンチマークに照らして、2つのイッテルビウム光格子時計の特徴を明らかにした。クロック周波数の単位で、システム不確実性が1.4 × 10^-18、計測不安定性が3.2 × 10^-19であることが判明し、局部周波数の反復的比較によって得られた再現性は、時計間の周波数差が10^-19のオーダーだった。このような性能によって、ジオイドを1センチメートル未満の不確実性で決定でき、現在の技術より高い性能が達成された。
Next-generation optical atomic clocks could measure the gravitational distortion of space-time across the Earth’s surface more precisely than current methods, reports a paper published online this week in Nature. These clocks can be used to detect gravitational waves, test general relativity, and search for dark matter.
The passage of time is not absolute; it depends on the given frame of reference. As a result, clock measurements are sensitive to relative velocity, acceleration, and gravity potential - clocks atop mountains tick faster than those at ground level because of increased gravity potential. A common reference surface is required to compare clocks at different points in a gravity field. On Earth, this is the geoid - the surface of equal potential that best fits the global-mean sea level - which is currently determined from height measurements by the Global Navigation Satellite System and a geoid model to factor in gravity. Both are currently limited by uncertainties of several centimetres, which could be reduced by using atomic clocks.
Atomic clocks are based on measurements of specific atomic transitions at optical frequencies. The next generation of atomic clocks will be so sensitive to the relativistic effects of gravity that they could be used as geopotential probes.
William McGrew and colleagues characterize two ytterbium optical lattice clocks according to three fundamental benchmarks. They report, in units of the clock frequency, a systematic uncertainty of 1.4 × 10^-18, a measurement instability of 3.2 × 10^-19 and, through repeated local frequency comparisons, a reproducibility yielding a frequency difference between the clocks of the order of 10-19. Such performance would allow geoid determinations with less than one centimetre uncertainty, outperforming current techniques.
doi: 10.1038/s41586-018-0738-2
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