이화학연구소, 도쿄대학, 국토지리원, 오사카공업대학의 공동연구그룹은 시마즈제작소와 공동으로 18자리 정도의 초고정밀도 가반형 광격자 시계 개발에 세계 최초로 성공.도쿄 스카이트리의 높이를 정밀하게 측량하여 일반 상대성 이론을 검증했다.

 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 표고가 높을수록 시계의 진행이 빨라지지만, 종래 기술의 정밀도에서는 표고의 차이가 시계의 진행 방식에 주는 차이를 지상에서 계측하는 것은 곤란했다.그러나, 광격자 시계를 이용하여 중력장(중력 잠재력의 차이)을 파악하고 표고에 따른 시계의 진행 방식의 차이를 측정함으로써, 멀어진 2 지점 사이의 표고차를 센티미터 레벨의 고정밀도로 측정이 가능해진다.

 연구그룹은 실험실 환경뿐만 아니라 실험실외의 환경에서도 18자리 정도(백억년에 1초의 어긋남에 상당)를 실현할 수 있는 가반형 스트론튬 광격자 시계를 개발.이 시계 2대를 도쿄 스카이트리의 약 450미터의 고도차가 있는 지상층과 전망대의 2곳에 설치해, 각 시계의 진행방법의 차이를 측정.결과를 국토지리원이 측정한 표고차와 비교하여 일반상대성이론의 검증실험을 실시하였다.

 그 결과, 전망대의 시계가 지상층의 시계보다 시간이 빨리 진행되고 있는 것이 계측되어, 종래의 위성을 사용한 실험에 육박하는 정밀도로 검증에 성공. 1만킬로미터의 고저차를 필요로 한 종래의 우주 실험에 비해 이번에 개발한 휴대형 광격자 시계를 사용함으로써 1만배 이상 적은 고저차로 동등한 실험이 가능해졌다.

 고정밀 가반형 광격자 시계의 실험실외 운전의 실증은 광격자 시계의 사회 실장을 향한 큰 한 걸음이 된다.향후, 플레이트 운동이나 화산 활동 등에 수반하는 수 센티미터 정도의 지각 변동의 감시 등 상대론적 센싱 기술의 실용화가 기대된다고 한다.

논문 정보:【Nature Photonics】Test of General Relativity by a Pair of Transportable Optical Lattice Clocks

대학 저널 온라인 편집부

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