光格子時計について調べていました。
きっかけは、時間の精度について少し確認したかっただけです。
ところが調べているうちに、昔の仕事を思い出しました。
そして、ずいぶん根源的なことまで考えるようになりました。
そもそも、「1秒」とは何なのでしょう。
私たちの身の回りには、たくさんの単位があります。
時間なら秒。
電圧ならボルト。
電流ならアンペア。
周波数ならヘルツ。
長さ、質量、温度もそうです。
あまりにも当たり前に使っているので、普段は意識することもありません。
でも、少し考えてみると不思議です。
自然界に最初から「1秒」と書かれたものがあるわけではありません。
電気も、光も、原子も、自然界に存在しています。
そこにある現象を観察し、比較し、誰もが同じように扱えるように、人間が「単位」という尺度を整えてきました。
科学や工業というと、とても人工的な世界に見えます。
けれど、その根にあるものは自然です。
自然界にある現象を、人間が共有できる形へ翻訳してきた。
単位というものを眺めていると、そんな見方もできるのではないかと思います。
現在の「1秒」は、セシウム133原子の特定の遷移に対応する周波数を基準として定義されています。
その値は、9,192,631,770 Hz。
つまり、ある原子が持つ普遍的な性質を使って、人間が「1秒」を共有しているわけです。
では、測定器に表示された「1秒」や「1V」は、なぜ正しいと言えるのでしょう。
数字が表示されたから正しい、というわけではありません。
その数字が、何を基準にしているのか。
その基準は、さらに何を基準にしているのか。
そして、その先を遡っていったときに、国家標準や国際的な標準体系へつながっているのか。
電子計測の世界では、それを保証する考え方の一つがトレーサビリティです。
私はかつて、総合電子計測の仕事をしていました。
その会社には約11年いました。
最初は技術者として、通信プロトコル、デジタル通信、PC、UNIXなどを担当しました。
それ以前にはメーカーで、開発から製造、検査までを経験しています。
アナログ回路、デジタル技術、情報処理。
振り返れば、かなり広い範囲を横断してきました。
一時期はシステム開発にも携わり、その後、再び電子計測部門へ戻りました。
そこで担当した仕事の一つが、標準器や標準素子の管理です。
300を超える標準器や素子類について、管理実行の責任を担っていました。
品質やトレーサビリティを現場で維持する側です。
その中には、ルビジウム原子時計もありました。
校正の時期になると、その原子時計を車に積んで、当時の通信総合研究所、CRLへ持っていきました。
装置は専用のケースに収め、台車も一緒に積み込みます。精密機器ですから、運搬も丁寧に行います。
一人では運べない機器でしたから、若手社員を一人、研修も兼ねて連れていきます。
当時は、持ち込んだ側が自分たちで機器を設置するというルールでした。
ラボには、私の記憶では6台ほどのセシウム原子時計が並んでいました。
持ち込んだルビジウム原子時計を所定の場所へ設置し、電源を入れます。
でも、そこで校正が始まるわけではありません。
私たちが使っていたモデルは、性能が安定するまでに48時間のエージングが必要でした。
電源を入れて、待つ。
48時間たってから、ようやく校正が行われます。
そして数日後、再び車で引き取りに行く。
自社のラボへ戻して、もう一度設置する。
電源を入れる。
そして、また48時間待つ。
そこまで終わって、初めて標準器として使える状態になります。
「正しい時間」を扱うためには、時間が必要でした。
私がCRLへ通っていた時期、その組織自体も変わっていきました。
通信総合研究所は1988年に、それまでの電波研究所から名称変更されて発足しています。
その後、2001年には中央省庁再編によって総務省通信総合研究所となり、同年4月には独立行政法人 通信総合研究所になりました。
私の記憶では、運用が変わったと感じたのは、この独立行政法人化の頃だったと思います。
それまで持ち込んだ側で行っていた設置を、先方で行ってくれるようになり、ずいぶん楽になりました。
さらに2004年、通信総合研究所は通信・放送機構と統合され、現在の情報通信研究機構、NICTが発足します。
組織は変わりました。
手続きも変わりました。
でも、48時間は変わりませんでした。
物理現象が安定するまでに必要な時間は、人間の組織や制度が変わっても短縮できません。
今になって考えると、これも計測という仕事の面白さだったように思います。
電子計測部門では、計測コーディネーターという仕事もしていました。
お客様から、何を測りたいのかを聞きます。
どの程度の精度が必要なのか。
どんな環境で使うのか。
一台の測定器で済むとは限りません。
必要であれば、複数のジャンル、複数メーカーの機器を横断して選び、一つの計測システムとして組み上げます。
つまり、
「一番性能の高い測定器はどれか」
ではなく、
「何を知りたいのか。そのためには、どんな仕組みが必要なのか」
から考える仕事でした。
精度というものも、測定器一台の性能だけで決まるものではありません。
基準、校正、接続、環境、手順、機器の組み合わせ。
全体の構造の中で成立します。
当時は、それを「構造を見る仕事」だとは考えていませんでした。
ただ、振り返ってみると、ずっとそういうことをしていたのかもしれません。
そして今、私は光格子時計について調べています。
光格子時計も原子時計の一種ですが、現在の秒を支えているセシウム原子時計とは異なり、マイクロ波よりはるかに高い周波数の光学遷移を利用します。
その精度は、従来のセシウム原子時計を上回り、将来の「秒」の再定義につながる技術として研究が進んでいます。
そして、現在のNICTの標準時生成を見て、少し驚きました。
現在のNICTでは、複数台の原子時計を組み合わせて、日本標準時を作っています。
私の記憶にあるCRLのラボでは、セシウム原子時計は6台ほどでした。
その後、12台ほどになった記憶もあります。
現在は、さらに多くの原子時計が使われています。
……また増えたのか。
思わず、そんなことを考えました。
もちろん、ただ台数を増やせばよいという話ではありません。
原子時計にも、それぞれわずかな揺らぎがあります。
複数の時計を比較し、それぞれの特性を組み合わせることで、一台だけに依存しない、より安定した時間を作ることができます。
短時間の安定性に優れるもの。
長期的な安定性に優れるもの。
それぞれの長所を組み合わせながら、一つの標準時を作っていく。
ここでもやはり、
精度は、一台の優秀な機械だけで作られるものではない。
仕組み全体で作るものなのです。
従来の高精度なセシウム原子時計でも、数千万年という時間でようやく1秒ずれるほどの精度があります。
それだけでも、日常感覚からすればほとんど想像できない世界です。
ところが、光格子時計が目指しているのは、そのさらに先です。
10^-18級。
この精度を時間のスケールに置き換えると、宇宙の年齢に匹敵するほどの時間が経っても、1秒に届かないほどのずれです。
ここまで来ると、時計は単に「時間を測るもの」ではなくなってきます。
一般相対性理論によれば、重力ポテンシャルが異なれば、時間の進み方も変わります。
地球表面付近では、高さがわずか1センチ違うだけでも、時間の進み方に10^-18程度の違いが現れます。
つまり、二つの高精度な時計を比較することで、重力ポテンシャルの違いや、高さの違いまで見えるようになってきたということです。
私がルビジウム原子時計を車に積んでCRLへ運んでいた頃、原子時計は「正しい時間、正しい周波数をつくるもの」でした。
それから数十年。
時計は、重力まで見えるようになりました。
アインシュタインが理論として示した、
重力によって時間の進み方が変わる
という現象を、私たちは今、地上のわずかな高さの違いとして測ろうとしています。
一般相対性理論が、こんなに身近な世界の話になるとは。
とうとう、ここまで来ましたね。
最後に、10^-18。
小数で書くと、
0.000000000000000001
です。
小数点の前も含めると、0が18個あります。
皆さんも一度、紙に書いてみてください。
その小ささを、自分の手で追いかけてみる。
もしかすると、
重力の変化を、少しだけ感じられるかもしれません。
English
Where Does a “Correct Value” Come From?
— Optical Lattice Clocks and Memories from Electronic Measurement
I was reading about optical lattice clocks.
It started simply enough. I just wanted to check something about the precision of timekeeping.
But as I kept reading, I found myself remembering work I had done many years ago.
And before long, I was thinking about something much more fundamental.
What, exactly, is one second?
We live surrounded by units of measurement.
Seconds for time.
Volts for voltage.
Amperes for electric current.
Hertz for frequency.
The same is true for length, mass, temperature, and many other quantities.
We use these units so naturally that we rarely stop to think about them.
But when you do, something rather interesting appears.
There is nothing in nature with a label attached to it saying, “This is one second.”
Electricity exists in nature.
Light exists.
Atoms exist.
Human beings observed these natural phenomena, compared them, and created systems of measurement so that we could describe and share them consistently.
Science and engineering can look like highly artificial worlds.
Yet underneath them lies nature.
In one sense, what we have been doing is translating natural phenomena into forms that human beings can share.
That is one way of looking at units of measurement.
Today, one second is defined using a specific transition of the cesium-133 atom.
Its frequency is exactly:
9,192,631,770 Hz.
In other words, we use a universal property of an atom to give everyone the same definition of “one second.”
But then another question arises.
Why should we believe that the “one second” or “one volt” displayed by a measuring instrument is correct?
A number appearing on a display does not make that number correct.
What is that number referenced to?
What, in turn, is that reference based on?
And if we continue tracing that chain backward, does it eventually connect to national standards and the international measurement system?
In electronic measurement, one of the concepts used to assure that connection is metrological traceability.
I once worked for a comprehensive electronic measurement provider.
I spent about eleven years there.
I began as an engineer, working with communication protocols, digital communications, PCs, UNIX systems, and related technologies.
Before that, I had worked for a manufacturer, where I was involved from development through manufacturing and inspection.
Analog circuits.
Digital technology.
Information processing.
Looking back, I crossed quite a few technical boundaries.
For a period, I moved into systems development. Later, I returned to the electronic measurement division.
One of my responsibilities there was the management of reference standards and standard components.
I was responsible for the operational management of more than 300 reference instruments and components.
Our job was to maintain quality and traceability in the real world, not merely as concepts on paper.
Among those instruments was a rubidium atomic clock.
When it was time for calibration, we loaded the atomic clock into a car and drove it to the Communications Research Laboratory — CRL.
The instrument was carefully placed in its dedicated transport case, and we loaded a cart into the vehicle as well. It was precision equipment, so transportation had to be handled with care.
The unit could not be moved by one person, so I would take a younger employee with me, partly as practical training.
At the time, the rule was that the organization bringing in the instrument was also responsible for installing it.
In the laboratory, I remember seeing about six cesium atomic clocks lined up.
We would bring in our rubidium atomic clock, move it into position, install it, and switch on the power.
But calibration did not begin immediately.
The model we used required 48 hours of aging before its performance became sufficiently stable.
Switch it on.
And wait.
Only after those 48 hours could the calibration begin.
Several days later, we would drive back to collect it.
Then we would return to our own laboratory, install it again, and switch it on.
And wait another 48 hours.
Only then could it once again be used as a reference standard.
To work with “correct time,” we first had to give the instrument time.
The organization itself changed during the years I was visiting CRL.
The Communications Research Laboratory had been established under that name in 1988, when the former Radio Research Laboratory was renamed.
In 2001, following the reorganization of Japan’s central ministries, it became part of the Ministry of Internal Affairs and Communications, and in April of that year it became the Independent Administrative Institution Communications Research Laboratory.
As I remember it, that was around the time the operating procedures began to change.
Previously, we had been responsible for installing the equipment ourselves.
After the change, the laboratory staff began handling the installation for us.
That made things considerably easier.
Then, in 2004, CRL merged with the Telecommunications Advancement Organization, and the organization that is now known as NICT — the National Institute of Information and Communications Technology — was established.
Organizations changed.
Procedures changed.
But the 48 hours did not.
The time required for a physical system to stabilize does not become shorter simply because a human organization or administrative system changes.
Looking back, I think that was one of the fascinating things about the world of measurement.
I also worked as a measurement coordinator.
We would begin by asking the customer what they actually wanted to measure.
How much accuracy was required?
Under what conditions would the measurement be made?
A single instrument was not always enough.
When necessary, we selected equipment across multiple technical categories and from multiple manufacturers, then combined those instruments into a complete measurement system.
So the question was not:
“Which instrument has the highest specifications?”
It was:
“What are we trying to understand, and what kind of system do we need in order to understand it?”
Accuracy is not determined by the performance of a single measuring instrument.
References.
Calibration.
Connections.
Environment.
Procedures.
The combination of instruments.
Accuracy exists within the structure of the whole system.
At the time, I never thought of this as “looking at structure.”
But in retrospect, perhaps that is what I had been doing all along.
And now, decades later, I find myself reading about optical lattice clocks.
An optical lattice clock is also a type of atomic clock.
But unlike the cesium atomic clocks that underpin today’s definition of the second, optical clocks use atomic transitions at optical frequencies — far higher than microwave frequencies.
Their performance has already surpassed that of conventional cesium atomic clocks, and they are being studied as candidates for a future redefinition of the second.
Looking at how NICT now generates Japan Standard Time also surprised me.
Today, NICT combines multiple atomic clocks to create Japan Standard Time.
In the CRL laboratory I remember, there were about six cesium atomic clocks.
Later, I seem to remember there being around twelve.
Today, even more are being used.
…So they added more again.
That was my first reaction.
Of course, simply adding clocks is not the point.
Every atomic clock has tiny fluctuations of its own.
By comparing multiple clocks and combining their different characteristics, it becomes possible to create a more stable time scale without relying on any single clock.
Some clocks offer excellent short-term stability.
Others are stronger over longer periods.
Their respective strengths are combined to produce a single standard of time.
Once again, the same principle appears.
Precision is not created by one exceptionally good machine.
It is created by the system as a whole.
Even a highly accurate conventional cesium atomic clock may drift by only about one second over tens of millions of years.
That alone is already almost impossible to imagine on an everyday human scale.
But optical lattice clocks are reaching even further.
The realm of 10^-18.
Expressed as a timescale, that level of precision means that even over a span comparable to the age of the universe, the accumulated error would still be less than one second.
And once we reach this level, a clock is no longer merely an instrument for telling time.
According to general relativity, time passes at different rates at different gravitational potentials.
Near the surface of the Earth, a height difference of only about one centimeter corresponds to a fractional difference in the passage of time on the order of 10^-18.
That means that by comparing two sufficiently precise clocks, we can begin to detect differences in gravitational potential — and even differences in height.
When I used to put a rubidium atomic clock into a car and drive it to CRL, I thought of an atomic clock as something that produced an accurate time and frequency reference.
Several decades have passed since then.
Now clocks can see gravity.
Einstein showed us theoretically that:
gravity changes the rate at which time passes.
Today, we are reaching the point where we can measure that effect as a tiny difference in height here on Earth.
General relativity has somehow become this close to everyday life.
We really have come this far.
Finally, there is 10^-18.
Written as a decimal:
0.000000000000000001
Including the zero before the decimal point, there are eighteen zeros.
Try writing it down yourself.
Follow that tiny number with your own hand.
And perhaps,
you might feel the change in gravity — just a little.