１秒は光で決まる？…１秒の歴史とこれから

いまでは、時間の単位^※として、おなじみの「秒」。でも、この「秒」は、そもそもどうして考えられたのでしょう？また、その１秒はどのようにして決まるのでしょうか。１秒の正かくさはどうして必要なのか？秒の長さの決め方、時間のはかり方の歴史、GPSや自動運転と時間とのかかわり、そして時間の未来まで、時間のなぞをさぐってみましょう。

• ※ 数や量をはかる「きじゅん」となる決めごと

　「時間」といったとき、「朝の６時」や「夜９時」などのような「時こく」をさすときと、いつであるかに関係なく「時間の長さ」をいうときがあります。「時間の長さ」には年、月、日、時間、分、秒などのさまざまな単位があり、わたしたちがふつうの生活で使っているいちばん短い時間の単位が「秒」です。

１秒は生活の中で使うことはありますが、ほんのわずかな時間に感じられる長さです。しかし、このわずかな１秒を決める挑戦（ちょうせん）は、人類のれきしでもかなり早くから始まっていました。大昔の人類のそせんは、昼と夜をくり返すくらしの中で、日の出から次の日の出までを「１日」と決め、これをもとにより短い時間の区切りを考えました。そして古代ギリシャや古代ローマとよばれる時代には、１秒よりも短い時間の単位までもが考えられていたのです。

「日、時、分、秒」という時間の長さの単位は、11世紀（せいき）ごろのペルシア（＝いまのイランあたり）や13世紀のヨーロッパで決められます。ただし、そのころは時間の長さをはかる方法といえば日時計^※1や水時計^※2だけだったため、いまの１秒のような短い時間の長さははかれませんでした。つまり「秒」は、短い時間の長さを考えるためにつくられただけで、１秒は正かくに決められてはいませんでした。１秒が正かくに決まっていなくても、当時の生活ではあまり問題にはなりませんでした。

• ※1 太陽がつくるかげの動きによって時こくを知る道具。北にむけた棒（ぼう）のかげが円ばんなどにでき、円ばんにきざまれた目もりを読むことで時こくがわかります。なかには、数分単位を読みとることができるものもあります。紀元前（きげんぜん）5000年ごろに生まれました
• ※2 容器（ようき）に入れた水が小さな穴（あな）から流れ出ることで時間の長さをはかる道具で、紀元前1400年ごろから使われたとされます。日時計より短い時間の長さをはかることができました

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１秒のきじゅんを決める必要が出てきたのは、17世紀に歯車で動いて時こくや時間の長さをしめす機械式時計が開発されてからです。

それまでの間に人類は、１日の長さをきじゅんに、１日の24分の１を１時間、１時間の60分の１を１分、１分の60分の１を１秒という決まりを考えていました。つまり１秒は１日の86400分の1で、機械式時計の文字ばんや針を動かす歯車の動きなどはこの決まりをもとにつくられました。１日の長さをきじゅんと決めることで、すべての時計の進みぐあいを合わせることにしたのです。

１日の長さは日の出から次の日の出までなので、これは太陽の動き、つまり地球の自転（＝地球がコマのように回転する動き）で決められました。この動きは、とてもきそく正しい運動と考えられていたので、時間のきじゅんにふさわしかったのです。

そこで注目されたのが原子時計です。「時計」といっても時こくを知るための時計ではなく、原子^※1と電磁波（でんじは）^※2のせいしつを利用して、１秒の正確な長さをはかり、ほかの時計の動きをコントロールするそうちで、正式な名前を「原子周波数（しゅうはすう）標準（ひょうじゅん）器」といいます。

原子は、原子の種類（＝元素（げんそ）という）ごとに決まった周波数の電磁波があたると、少しだけエネルギーが高いじょうたいになります。たとえば原子時計で使われているセシウムという元素では、919631770ヘルツ（ヘルツ＝波が１秒間にゆれる回数）という周波数の電磁波をあてるとエネルギーが高くなります。^※3

これを利用して１秒をはかります。いろいろな周波数の電磁波をセシウム原子にあてて、原子がエネルギーの高いじょうたいになったなら、そのときの電磁波の周波数は919631770ヘルツです。このため、その電磁波の波が919631770回くり返される時間が「１秒」になるというわけです。これを利用してほかの時計の進みやおくれを調節します。

このセシウム原子時計はおどろくほど正かくで、1万年から10万年に1秒しかずれないレベルとされています。

• ※1 ものはとても小さなつぶ（＝「分子」といいます）の集まりで、分子は「原子」が組み合わさってできています。そして、原子には種類のちがい（＝元素）があり、水素、炭素、酸素（さんそ）、鉄・・・など、約120の種類があります
• ※2 わたしたちは見える光、見えない光もあわせて、光の仲間を「電磁波（でんじは）」とよんでいます。名前からわかるように電磁波には波のせいしつがあり、水面におきる波のような線で表すことができます。このとき、波の山と山（あるいは谷と谷）の間かくを波長、１秒間に波がくり返される（＝振動（しんどう）する）回数を周波数（しゅうはすう）とよびます
• ※3 多くの元素では、原子にはせいしつに少し差がある原子がまざっていて、エネルギーが高い状態になる電磁波には、少しずれがあります。しかし、セシウムはせいしつに差がある原子がもともとないので、エネルギーが高いじょうたいになる周波数を正かくに決めることができます。このため、正かくさが大切な原子時計に使われています

1967年、世界中でセシウム原子時計によってはかられる１秒を「１秒」とすることが国際（こくさい）会議^※1で決まりました。正式に、「光」で１秒を決めることになったのです。いまでは、この「１秒のきじゅん」が、テレビやラジオの放送、けいたい電話の通信、情報（じょうほう）通信、GPS^※2などに使われ、私たちの便利な生活をささえています。特に情報通信やGPSなどでは、情報を出す側と受け取る側で時計が正かくに合っていることがとても重要です。情報は、出す側で電波や電気の信号にしてから送るのですが、時計がずれるとその信号がいつ送られたのかいつ受け取ったのかがあいまいになります。すると、受け取った側では、信号をもとの情報にうまく組み立てることができません。いまは、通信で送る情報の量がどんどんふえていて、時間にもさらにきびしい正かくさがもとめられる時代になってきているのです。

そして、原子時計よりもさらに正かくな時計の開発が進んでいます。
セシウム原子時計に代わる次世代の時計のひとつとして、いま、注目されているのが、日本で開発されている「光格子（ひかりこうし）時計」です。光格子時計は理ろん的には100億年で1秒もくるわない「ちょう高せいど」の時計で、レーザー光でたくさんの原子を空中にならべて、そのようすをかんさつするという光のぎじゅつが使われています。

• ※1 第13回国際度量衡（こくさいどりょうこう）総会(CGPM)
• ※2 英語のグローバルポジショニングシステム（Global Positioning System）のりゃくで、日本語では「全地球測位（そくい）システム」ともよばれています。地球のまわりを回っているGPSせんようの人工えい星（＝GPSえい星）にはセシウム原子時計がのっていて、GPSえい星が出した電波をスマホやカーナビが受けとり、電波がとどくのにかかった時間から、えい星からのきょりを計算し、どこにいるか位置がわかるシステムです

これほどの高いせいどで時間の長さをはかるねらいのひとつには、宇宙（うちゅう）のしくみを明らかにすることがあります。

いま、宇宙のしくみを考えるとき、そのもとになっている考え方のひとつがアインシュタイン（1879-1955）による「相対性理論（そうたいせいりろん）」です。この理論によると重力のはたらきは時間の進みかたにもえいきょうをあたえます。しかし、これを確かめるにはセシウム原子時計よりはるかに正かくな時計をつかって、ごくわずかな時間の進みかたの差を調べる必要がありました。そこで、じっさいに開発中の2台の光格子時計を使って、東京スカイツリーで地上450ｍの高さと地上とで調べたところ、地上450ｍの高さでは1日に４ナノ秒（0.000000004秒）ほど時間が早く進むことを、世界で初めてたしかめることに成功しました。アインシュタインが考えた理論がたしかめられただけでなく、宇宙のしくみをこれからさらに正かくに考えていく助けになります。

このぎじゅつを使えば、重力のわずかな変化もわかるようになります。地球の内部で岩ばんやマグマが動くと重力の変化がみられるため、研究を進めていけば、じしんの予知ができるようになるかもしれません。

このほかにも１秒の正かくさをもとめる科学のちょうせんは、あらゆるぎじゅつの進化にかかせないこととして、大いに注目されています。