Who decides how long a second is? - John Kitching

翻訳: Emi Atarashi 校正: Tomoyuki Suzuki

In 1967, researchers from around the world

1967年 世界から集まった研究者たちが

gathered to answer a long-running scientific question—

ある積年の科学的問題に 答えようとしました

just how long is a second?

「１秒」は どのくらいの長さなのか？

It might seem obvious at first.

一見 答えは簡単そうです

A second is the tick of a clock,

秒針の「カチッ」の間隔 とか

the swing of a pendulum, the time it takes to count to one.

振り子の往復 「１」と数える長さ など

But how precise are those measurements?

しかし これらの計測は どの程度 正確でしょう？

What is that length based on?

１秒の長さの 基準となるものとは？

And how can we scientifically define this fundamental unit of time?

そして この時間の基本単位は 科学的にどう定義されるのか？

For most of human history, ancient civilizations

人類史の大部分において

古代文明の人々は 独自の暦を用い 時間を計測していました

measured time with unique calendars

that tracked the steady march of the night sky.

夜空を規則正しく行進する星を 観察して得た暦です

In fact, the second as we know it wasn’t introduced until the late 1500’s,

今 私たちが知る「１秒」が 使われ始めたのは 1500年代後半

when the Gregorian calendar began to spread across the globe

イギリスの植民地主義とともに

グレゴリオ暦が 世界中に広がり始めた頃です

alongside British colonialism.

The Gregorian calendar defined a day as a single revolution of the Earth

グレゴリオ暦では地球の自転１回の長さを １日と定義していました

about its axis.

Each day could be divided into 24 hours, each hour into 60 minutes,

１日は24時間に分けられ １時間は60分に

and each minute into 60 seconds.

そして１分は 60秒に分けられました

However, when it was first defined,

しかし これが定義された当初

the second was more of a mathematical idea than a useful unit of time.

１秒は 時間の単位というより 数学的な概念として存在していました

Measuring days and hours was sufficient for most tasks in pastoral communities.

当時の牧歌的な社会では １日や１時間という単位で事足りていたのです

It wasn’t until society became interconnected

正確な計時を 都市間で合意する必要がでてきたのは

through fast-moving railways that cities needed to agree on exact timekeeping.

高速で移動できる鉄道が通り 社会における交流が進むようになってからです

By the 1950’s, numerous global systems required every second

1950年代までには 多くの世界的なシステムは

１秒がきちんと定義され しかも できるだけ正確であることを必要としました

to be perfectly accounted for, with as much precision as possible.

And what could be more precise than the atomic scale?

原子の物差しほど正確なものは 他にないですね？

As early as 1955, researchers began to develop atomic clocks,

早くも 1955年には 研究者たちは 原子時計の開発に着手しました

which relied on the unchanging laws of physics

これは不変の物理法則に基づいており

to establish a new foundation for timekeeping.

計時の新しい礎を築きました

An atom consists of negatively charged electrons

原子を構成するのは

正電荷を帯びた原子核と それを周回する 負電荷を帯びた電子です

orbiting a positively charged nucleus at a consistent frequency.

電子は一定の周期で回っています

The laws of quantum mechanics keep these electrons in place,

量子力学の法則により 電子は一定の軌道上に存在していますが

but if you expose an atom to an electromagnetic field

原子を 光や電磁波などにより 電磁場にさらすと

such as light or radio waves,

you can slightly disturb an electron’s orientation.

電子の向きが わずかに乱れます

And if you briefly tweak an electron at just the right frequency,

電子に 一瞬だけ 正確に調整した周波数を当てると

you can create a vibration that resembles a ticking pendulum.

秒を刻む振り子に似た振動を 作り出せるのです

Unlike regular pendulums that quickly lose energy, electrons can tick for centuries.

すぐにエネルギーを失う振り子とは異なり 電子の場合 何世紀も振動が続きます

To maintain consistency and make ticks easier to measure,

一貫性を保ち この振動の計測を 簡単に行えるよう

researchers vaporize the atoms,

研究者たちは 原子を蒸発させ

converting them to a less interactive and volatile state.

より相互作用が少ない 揮発状態に変えますが

But this process doesn’t slow down the atom’s remarkably fast ticking.

蒸発によって 驚異的に速い原子の振動が 遅くなることはありません

Some atoms can oscillate over nine billion times per second,

原子の中には １秒間に90億回以上 振動するものもあります

giving atomic clocks an unparalleled resolution for measuring time.

このような性質から 原子時計は 時間計測の比類なき手段となったのです

And since every atom of a given elemental isotope is identical,

さらに 特定の元素の同位体であれば どの原子も全て同じであるため

two researchers using the same element and the same electromagnetic wave

２人の研究者が 同じ元素と同じ電磁波を使用すれば

should produce perfectly consistent clocks.

完璧に同じ間隔の時を刻む時計を 作ることが出来ます

But before timekeeping could go fully atomic,

しかし 計時を完全に原子で行う前に

countries had to decide which atom would work best.

どの原子が最適であるかを 国家間で決める必要があります

This was the discussion in 1967,

これを決定するための会議が 1967年に行われました

at the Thirteenth General Conference of the International Committee

第13回 国際度量衡総会です

for Weights and Measures.

There are 118 elements on the periodic table,

周期表には118の元素が並んでおり

each with their own unique properties.

それぞれ 固有の性質を持っています

For this task, the researchers were looking for several things.

研究者たちが求めた元素の性質は

The element needed to have long-lived

寿命が長く 電子振動の周波数が高いことです

and high frequency electron oscillation for precise, long-term timekeeping.

これは 正確で長期間の計時を 可能にします

To easily track this oscillation,

そして 振動の計測を容易に行えるよう

it also needed to have a reliably measurable quantum spin—

信頼度の高い計測が可能な 量子スピンを持っていることも必要でした

meaning the orientation of the axis about which the electron rotates—

スピンとは 電子が自転する 向きのことです

as well as a simple energy level structure—

加えて エネルギー準位構造が 単純であること

meaning the active electrons are few and their state is simple to identify.

つまり 自由電子の数がわずかで その状態を簡単に特定できること

Finally, it needed to be easy to vaporize.

最後に 簡単に蒸発することです

The winning atom? Cesium-133.

これらの条件にピッタリの原子は？ セシウム133 です

Cesium was already a popular element for atomic clock research,

セシウムは 原子時計の研究分野で 以前から注目されていた原子で

and by 1968, some cesium clocks were even commercially available.

1968年には すでに セシウムを使った時計が市販されていました

All that was left was to determine how many ticks of a cesium atom

残すは セシウム原子が １秒間に何回振動するかを調べるのみです

were in a second.

The conference used the most precise astronomical measurement

総会では 当時における １秒の最も正確な方法である ―

of a second available at the time—

天文学的な測定により

beginning with the number of days in a year and dividing down.

１年の長さを日数・時間・分・秒の数で 割りました

When compared to the atom’s ticking rate,

その長さと 原子の振動の間隔を比較し

the results formally defined one second

１秒は 正式に 次のように定義されました

as exactly 9,192,631,770 ticks of a cesium-133 atom.

セシウム133が きっかり 9,192,631,770回 振動する継続時間です

セシウム133が きっかり 9,192,631,770回 振動する継続時間です

Today, atomic clocks are used all over the Earth— and beyond it.

現在 原子時計は 世界中で そして 地球のかなたでも 使用されています

From radio signal transmitters to satellites

電波発信機から GPS用人工衛星に至るまで

for global positioning systems,

these devices have been synchronized

これらの機器は 同期し続け

to help us maintain a globally consistent time—

「寸‟秒”のくるい」もない正確さで

with precision that’s second to none.

世界中で一貫した時刻を 保ち続けているのです