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きわめて短い時間のことを「刹那」といいます。刹那とは何秒ぐらいのことなのでしょうか?

先日、理化学研究所で1000兆分の0・32秒間の光をつくり出すことに成功しました。すごい技術ですが、あまりピンと来ません。短い時間がわかると何がわかるのでしょうか?

ふだん私たちは目に見えるものしか認識できません。見えない部分は推測で判断してきたわけです。しかし顕微鏡や望遠鏡が発達してくると細胞や原子構造、ビッグバンのしくみなど様々なことがわかってきました。

日常生活で見られる物よりも遥かに速い現象を「止めて」観測すると、その現象への理解を深めることができます。球速160kmのボールの回転のしかた。陸上競技100mを9.8秒で走る選手の筋肉の使い方など様々な発見があります。

テレビでスポーツ中継を見ていると、しばしば得点シーンなど大事な場面は必ずスローモーションで再生されます。この再生で、選手やボールの動きをゆっくり、あるいは「止めて」見る事によって、なぜそのような結果に至ったかがわかります。

一瞬だけ光る「パルス光」を出すパルスレーザーは、速い動きを止めるためのいわばストロボの役割を果たすものとして、長い間開発が続けられてきました。

現在、「アト秒化学」と呼ばれるこの分野は、世界各国で盛んに研究されており、化学反応や分子振動などよりも早い究極の高速運動である「原子内部の電子の周回運動」を止めて見る事を1つの大きな目標としています。 

今日は時間とは何かその基礎について調べます。(参考HP 国立天文台・理化学研究所)

関連するニュース
1000兆分の0・32秒、最短「ストロボ光」を実現


理化学研究所と東大の研究チームが17日、1000兆分の0・32秒間だけ光る世界最短のパルス光を作り出したと発表した。

超高速で進む現象を観察する「ストロボ」としての応用が期待される。
 チームは、異なる波長のレーザー光を重ね合わせ、X線並みの短い波長を持つパルス光を作成。速度を測ったところ、発光時間はわずか320アト秒(アトは100京分の1)で、世界記録(450アト秒)より短いことが分かった。

パルス光をカメラのストロボのように用いれば、原子を周回する電子のふるまいなどが、コマ送りのように観察できるようになる。物性研究などの分野に革命をもたらすと期待される。

成果は米科学誌「フィジカル・レビュー・レターズ」の電子版に掲載された。
(2006年10月17日23時17分  読売新聞)
 

知っておきたい基本事項


時間はどうやってきまっているか?
地球の自転を基準にして「1日」という長さが決められ、その24分の1を1時間、さらにその60分の1を1分、その60分の1を1秒としました(太陽暦)。その他、月が1回公転する時間を1月と決める方法(大陰暦)もあります。

現在では地球の自転速度が一定でないことがわかりました。そこでセシウム原子のエネルギー状態が変化するときに出す電磁波の周期を規準にした原子時計が使われています。→後述

うるう年とは何か?
地球が太陽のまわりを1回公転する時間を1年といいます。1年は365日といいますが正確には約365.2日あり0.2日のずれがあります。このずれを調節するために4年に1度1年を366日にしています。

具体的には、西暦で4で割り切れる年はうるう年で2月が29日まであります。2004年と2008年がうるう年になります。→例外あり後述 

もっと知りたい発展事項


時間はどうやって決まっているか?
測定技術の進歩により、地球の1日の時間は一定でないことがわかりました。そこでより精密な原子の周期運動によって測定する事になりました。これを原子時計といいます。

国際単位系では時間の基本単位として秒を定義しており、2004年現在、「1秒はセシウム133原子(133Cs)の基底状態にある二つの超微細準位間の遷移に対応する放射の 9,192,631,770(約100億)周期にかかる時間」と定義されています。

原子時計とは何か?
原子時計は、原子または分子の、特定のエネルギー準位間の遷移にともなう電磁波の周波数を時間間隔の基準とする。つまり、原子の電子の状態に変化がおこり、2つの状態の間を振動する。その振動が規則ただしいことを利用している。このような電磁波は、原子または分子に固有の周波数をもち、ひじょうに精度がよい。

原子時計にはふつうセシウム原子がつかわれ、国際単位系の時間の基本単位である秒を定義するのにつかわれている。この時計では、いちばん低いエネルギー状態(基底状態)のうち、ある超微細エネルギー状態にあるセシウム133の原子に、別の超微細エネルギー状態へ遷移するときの共鳴周波数に近い周波数をもつマイクロ波をあてる。

このマイクロ波の周波数を調整して、ちょうど共鳴周波数になると、セシウム原子が別のエネルギー状態へ遷移する。このときのマイクロ波の振動が91億9263万1770回くりかえされると1秒になると定義されている。

セシウム原子時計はきわめて正確で、長期間にわたり安定している。もっとも高精度なセシウム原子時計は、100万年にプラスマイナス1秒程度の誤差といわれている。

60秒を1分、3600秒を1時間、86400秒を1日としています。

うるう年とは何か?
地球が太陽の回りを一回りするには、約365.24219日かかります。グレゴリオ暦では、1年の平均日数が、この日数に近くなるようにうるう年を入れています。

.西暦年号が4で割り切れる年をうるう年とする。

の例外として、西暦年号が100で割り切れて400で割り切れない年は平年とする。

例えば、西暦2004年、2008年、2012年、・・・はに当てはまりますので、うるう年になります。また、西暦2100年、2200年、2300年はに当てはまりますので、平年となります。さらに、西暦2000年、2400年は、100でも割り切れますが400でも割り切れてしまいますので、には当てはまらず、のとおりにうるう年となります。

とはいっても、グレゴリオ暦法での1年の平均日数を計算すると365.2425日になりますので、グレゴリオ暦の1年と実際の1年との間には約0.00031日程度の差があります。そのため、数千年程度で1日のずれが生ずるはずです。しかし、そのときにどのように修正をおこなうのかは、今のところはっきり決まっていません。

地球の自転はどうして一定でないのか?
地球の自転速度は、長期的には、主に「潮汐摩擦」(潮の満ち引きによって起こる海水と海底との摩擦)によってだんだん遅くなっています。

 しかし、数年から20年ぐらいの期間で考えると、地球内部にある「核」の運動の変化や、地球規模での水(海水、陸水、氷河)の分布変化などが原因となって変動し、自転速度は、必ずしも一定の割合で遅くなっているわけではありません。

それでは地球の自転はどのぐらいの割合で遅くなっているのでしょう。西暦1900年には地球が1回転するのにかかる時間がちょうど24時間だったのに対して、2000年には、地球は24時間より約2ミリ秒(1ミリ秒は1秒の1000分の1)長くかかって1回転しています。

1回転にかかる時間が100年間で2ミリ秒長くなっていることになりますので、もしもこの割合がこれからもずっと続くと考えると、5万年で1秒、1億8千万年で1時間長くなることになります。このことはつまり、1億8千万年後には、1日の長さが25時間になってしまうということを意味しています。

しかし、この割合でずっと地球の自転が遅くなり続けるのかどうかはわかりません。現に、2003年現在、地球の自転を観測すると、地球は24時間より約1ミリ秒長くかかって1回転しています。2000年のころと比べると、地球の自転速度は、むしろやや速くなっているのです。

以上のように、地球の自転から決まる1日の長さが正確に24時間ではないため、そのずれが累積したときには調整をする必要があります。この調整のことを「うるう秒」といいます。 
 

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