重い星の近くの原子時計が遅い理由

質問

原子時計は無重力空間で最も速く、地表面では遅いようです。原因を考えました。地上近くに置かれている水晶原子の自由電子には、下方よりも上方からより多くの素粒子が衝突する→自由電子の軌道が楕円形になる→周回するのが遅くなる→原子核の振動が遅くなる。時空を考慮しない考え方ですが、つじつまが合いそうですか。自由電子の雲が重力で歪むと表現する方が、より実体に近いなのかもしれません。

回答No.1

Nakay702 · ベストアンサー

以下のとおりお答えします。

＞地上近くに置かれている水晶原子の自由電子には、下方よりも上方からより多くの素粒子が衝突する→自由電子の軌道が楕円形になる→周回するのが遅くなる→原子核の振動が遅くなる。時空を考慮しない考え方ですが、つじつまが合いそうですか。
⇒重力を問題にしているということは、すなわち時空を考慮していることと等価かもしれませんので、十分つじつまが合っていると思います。

＞自由電子の雲が重力で歪むと表現する方が、より実体に近いなのかもしれません。
⇒そうですね。この方がより簡潔ですね。

ただ、「自由電子の軌道が楕円形になる」をもっと実態に近い表現にすれば、「自由電子の軌道が《卵形》になる」となる、ということかもしれません。
通常、惑星の軌道も「楕円形になる」と言われますが、確か、カッシーニは「より厳密には卵型だ」と言ったらしいですね。太陽の近くではより鋭角的になり、遠ざかるにしたがって緩やかな曲線を描くはずですので、私もカッシーニ説に共感します。（ただ、軌道方程式が立てにくいので、より簡単な楕円形で代用しているのかもしれません。）
お書きの原子時計についても、同じことが言えると思います。つまり、わずかとはいえ電子も質量がありますので、地球に近い側ではその軌道がより鋭角的になり、遠ざかるにしたがって緩やかな曲線を描くはずですので、その形は楕円形というよりは卵型に近いと考えられるわけです。

お礼

楕円軌道ではなく卵型軌道ですね。イタリア出身のカッシーニはケプラーの理論を発展させたのでしょうか。ありがとうございます。