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電波時計が常に正確な理由

電波時計が常に正確な理由

時計は人類の生活には無くてはならない大切な存在です。そんな時計は、時代とともにより正確になっていきました。現在もっとも新しい世代の時計は「光原子時計」と呼ばれています。原子にレーザーを当て、その振動で正確な時間を測ります。こうした時計は普段私たちが使うには性能が高すぎますが、GPSや宇宙の起源を探求するために必要なのです。今回は、最新の時計事情と、睡眠と記憶の関係性をYouTubeのサイエンス系チャンネル「SciShow」が解説します。

スピーカー
Michael Aranda(マイケル・アランダ) 氏
参照動画
The Best Atomic Clock Ever?

正確な電波時計の仕組み

マイケル・アランダ氏 2つの電波時計の組み合わせは1つである場合より性能が良くなります。少なくとも、アメリカ国立標準技術研究所、NISTが今週発表した研究によると、そういうことなのだそうです。 電波時計は2つのエネルギー状態の間で急速かつ確実に振動する原子にちなんで名づけられました。こういった原子振動は常に一定で、1967年にはセシウム振動を単位として1秒が公式に定義されました。セシウム原子はマイクロ波において振動します。そして通常、時間を管理するために水晶振動と組み合わされます。 gazou1 しかし、最も新しい世代の時計は光原子時計と呼ばれるものです。 gazou2 その時計はイッテルビウムかストロンチウムという可視光線波において振動する原子を使います。そして時間管理のためにレーザーを原子振動に合わせるのです。この正確すぎる電波時計は腕時計には少々性能が高すぎるかもしれません。しかし、私たちはこういった時間管理がGPSナビゲーションや、暗黒物質などの宇宙の起源を探るためにも必要なのです。 ですから、電波時計には2つの方向性で開発が挑戦されているのです。1つは正確性、そして安定性です。数年前、NISTは時計の原子振動を追跡する正確性において、世界記録を破るストロンチウム時計を開発しました。この時、NISTは安定性、もしくは時の刻みの一定性に注目をしていました。 とくに、研究者たちはデッドタイムノイズと呼ばれる問題について尽力しました。これは、時計が最高の安定性に到達するまでの速さを制限するものです。これは原子が常にレーザーによって管理されているわけではないために起こるとされています。 原子が量子状態で準備段階になる時のように、デッドダイムが存在します。このデッドタイムの間、レーザーは進み続けますが、追跡が出来なくなり、そして時間通りに振動しなくなります。 この問題を解決するため、物理学者たちは同じレーザーによって抽出された2セットのイッテルビウム原子と共に、ダブルクロックシステムを開発しました。 gazou3 いつでも原子を抽出するレーザー光線が存在し、スムーズで安定性があり、デッドタイムノイズもない時計に合算される結果となります。研究者たちはこれをZero Dead Timeから頭文字をとって、ZDT時計と呼びます。今までの記録保持時計よりも10倍速く高い安定性にたどり着くことができます。 最も安定性が高く、素晴らしい正確性を持つ光原子時計は今までに作られているのです。もちろん、ダブルクロックモデルは少しかさばるものですが、研究者たちはこのデザインを改善し、もっと小さくより安定性の高い原子時計を将来的に開発することができると考えています。

睡眠と記憶に関する最新の研究

さて、寝る時間になるとみなさんの脳は記憶を整理しはじめます。普通、これはとても一般的なことですが、もし忘れたいと思っていることがあったとしたらどうでしょうか。不安やPTSDの状態などは、日々の生活に影を落とすような嫌な記憶を思い出させてしまいます。記憶は時に、理由があって忘れられることがあります。しかし、睡眠がその役割を果たすかどうかについてはよく分かっていません。 今週、中国とアメリカの研究者は、眠りがどのように嫌な記憶を抑える能力を減少させるのかについて、ネイチャーコミュニケーションズに記事を掲載しました。研究者たちは学生の被験者たちを訓練し、26人の無表情な画像と、人が苦悩している場面や動物が交通事故にあって腐敗している場面などの嫌なイメージを結びつけて記憶させました。 gazou4 24時間経ち、自己申告でよく眠った後、学生たちはまた別のイメージを記憶しました。30分後、彼らはThink-NoThink 手順において、この新しい記憶を抑制しながら、fMRIで脳をスキャンされました。彼らはその日、もしくは前日に覚えた無表情の人々の画像と、赤かグリーンの長方形を見せられました。 グリーンの意味は、「Think」です。その顔と一緒になっている嫌なイメージについてよく考えるということです。 gazou5 赤の意味は「NoThink」もしくは、嫌なイメージが思い出されないようにし、できるだけその記憶を抑制しようとすることです。 gazou6 また30分経ち、学生たちは画像をペアにするテストをされました。これは顔を見て、結びついている嫌なイメージを説明するというテストでした。新しい記憶については、彼らが覚えていた、もしくは覚えていなかったことについてコントロールできることもあったということを示しました。

睡眠は嫌な記憶をより強くする

言葉を変えるなら、最近の記憶については、説明できたイメージの中でもThinkの方のペアと抑制された記憶のNoThinkの方のペアとの間で大きな違いがあったということです。しかし、24時間以上前に記憶したペアについては、コントロールできた数は減っていました。fMRIは彼らが新しい記憶と古い記憶を処理する間の脳活動の中に変化を映し出しました。新しい記憶を回復するとき、海馬での活動は更に活発になります。 イメージをペアにすることへの自発的な抑制は、NoThink手順の1つであるように、前頭葉皮質の部分を活性化させます。前頭葉皮質は脳の一部で、計画を練ったりする作業をする部分です。これは海馬や、感情を司る脳の部分である、扁桃体における活動を抑制します。しかし、前日の記憶を呼び覚ますとき、脳活動は新皮質により広がっていました。しかも、前頭葉皮質はNoThinkのペアの場合より多く働いているように見えました。しかし、海馬や扁桃体での活動は抑制しなかったのです。 基本的に、一晩経った後の嫌なイメージは、新しいイメージよりもより強く残るようです。一晩の睡眠が本当に違いを生むのか、もしくは単に時間が経ったにすぎないのかについて理解するためには、更なる研究が必要です。研究者たちは、より研究を進めることで、臨床応用をし、PTSDに悩まされる人々がつらい記憶を忘れて、よい記憶だけを覚えていられるようにする助けになればと考えています。

  

SciShow

Hank Green(ハンク・グリーン)たちがサイエンスに関する話題をわかりやすく解説するYouTubeチャンネル。

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