1秒ってなんで「1秒」なの?

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  • 1秒は地球の自転と公転によって定義付けられてきた
  • 1950年代に、セシウム原子を基準とした誤差の無い「秒」の定義ができた

「1秒」とは、正確にはどれくらいの時間なのでしょうか。

「秒」という単位は世界中で用いられてきてましたが、その基準に関しては、度々疑問視されてきました。

多くの人は、1秒を「1 / 60分」、または「1 / 3600時間」だと言うでしょう。もちろん間違いではないのですが、これは単なる言い換えであって、正確な「秒」という単位の定義にはなりません。

「1秒はなぜ1秒なの?」という疑問の答えを正確に把握するには、「秒」の歴史を知ることから始まります。

自然界にみられる「繰り返し」法則の利用

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古代文明は、自然界にみられる「正確な繰り返し」を時間管理のために利用しました。

彼らにとって明確だったものは、朝と夜の繰り返しです。

朝と夜が同じ間隔で繰り返すことを知っていた人たちが、朝と夜を1セットにして「1日」という時間の単位にしました。これは、地球の自転という自然法則から時間の単位を生み出したことになります。

ここから、さらに細かい単位である「時間」や「秒」が生み出されました。

地球と宇宙に関する理解が深まるにつれて、自転と公転の関係性も明らかになり、地球の公転周期に基づく「秒」が定義されていきました。

地球の公転と自転は、「かなり正確」な繰り返しなので、これらに基づく「時間計測」は、人類の歴史を測るうえでは十分でした。

しかし、科学技術の進歩と共に、より正確な「時間単位」が必要になってきました。今日のコンピューターは1秒あたり40億サイクルの速度で作業が実行されるからです。

地球の自転や公転は、「かなり正確」な繰り返しでしたが、徐々に変化します。

例えば、地球の自転はわずかに遅くなっているので、これに基づいて1秒を測定すると、1秒の時間がわずかに長くなります。つまり、今日の1秒と昨日の1秒はまったく同じ時間ではなくなるのです。

原子時計による「秒」

国際原子時/Credit:Wikipedia

そのため、1950年代の科学者たちは、時代に左右されない「秒」の定義をつくることにしました。

では、どこから「秒」を定義する基準を持ってくるべきでしょうか?

当然ですが、人間が用いている科学技術は、すべて自然界の法則を応用したものです。「正確な繰り返し」を行なう機械を作成したとしても、その「正確」ですら自然現象に依存しています。

ですから、「秒」の基準とすべきは「自然界の法則」です。

「自転と公転」のような天文学的なプロセスを利用するなら、これまでと同様の誤差が生じます。

自然界の法則の中でも、「繰り返し」「誤差が無く」「人間が計測できる」現象を見つけなければいけません。

そこで科学者たちは、物質の基本である「原子」に目を向けました

すべての原子には、固有の共鳴周波数があります。特定の周波数のマイクロ波だけを吸収したり放出したりするのです。

周波数とは「波」の繰り返しです。この繰り返しには誤差がありません。ですから、原子周波数の1波長を「秒」の基準にしたのです。

セシウムは「秒」の定義に最適だった

数ある原子の中から選ばれたのは、セシウムです。

セシウムは自然界に同位体が存在しません。原子の同位体は性質が異なってしまうので、同位体の無いセシウムは、世界基準として適しています。

世界のどこのセシウムで測定しても、同じ結果が引き出されます。

また、セシウムの周波数は高いですが計測可能で、「秒」を表わすのに適していました。

セシウムは55番/Credit:Wikipedia

こうした経緯により、セシウム原子時計による「秒」が定義されました。

「秒は、セシウム 133 の原子の基底状態の二つの超微細構造準位の間の遷移に対応する放射の周期の9,192,631,770倍の継続時間である」

つまり、「1秒はセシウム周波が91億9263万1770万回振動した時間」と定義されたのです。

この原子時計は非常に正確なので、誤差はほとんどありません。3億年以上経っても1秒の誤差も生じないのです。

しかし、科学者たちにとっては、この原子時計でもまだ十分ではありません。

原子時計はコンピューターやGPSシステムに採用されていますが、より高度な処理能力や測位システムにするには、更に優れた時間管理が必要です。

2016年、ドイツの研究者は、ストロンチウム元素に基づいた、さらに優れた原子時計を提案しており、現在も制作が進められています。

「秒」は人が時間を管理するために生まれた時間定義です。

「昼と夜」から始まった定義であり、そこから生まれた「1秒」は、現在でも基準となる法則を変えて、私達の身近にあるんですね。

地球の1日はかつて「18時間」だった。「1日」はどんどん長くなっている

reference: discovermagazine / written by ナゾロジー編集部
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