1メートルはどれくらいの長さですか？この質問について真剣に考えたことはありますか?

出典：中国科学技術博物館

計測単位「メートル」は私たちの日常生活において非常に重要な役割を果たしています。長さや大きさに関するものはすべて「メートル」が関係します。しかし、「メートル」は自然の産物ではなく、また、空から降ってきた概念でもありません。一定の長さに達すると、なぜ「1メートル」と呼ぶのでしょうか?お米はどうやって生まれたのでしょうか？

天文地理調査

17 世紀後半、フランスは地球の弧の長さを測定し始めました。さらなる科学的研究により、測定実験における長さの単位に関する新たな要件が提示されました。計量学界は、全世界で統一された長さの単位標準を緊急に確立する必要がありました。

1789 年 11 月 2 日、フランス革命政府は 15 人の科学者を選出し、新しい測定単位の策定に関する研究を行う「技術諮問局」を設立しました。

1790 年 4 月 14 日、技術諮問局は最終的に、子午線上の弧の長さを新しい標準測定単位の基準として使用することを決定しました。子午線は、私たちが通常呼ぶ「経度」の 1 つです。それは地球の北極と南極を結ぶ想像上の大きな弧です。 「経度 0 度」は本初子午線とも呼ばれます。イギリス・ロンドンのグリニッジ天文台の子午線の中心を通る経度であり、経度を計算する際の起点として使用されます。 1メートルは子午線の円周の4000万分の1に相当します。彼らは、地球の子午線の長さは決して変わらず、それに基づく新しい基準も永遠かつ不変であると信じていました。同時に、地球は全人類のものであるから、それに応じて設立されたユニットもまた、世界中の人々のものとなる。

1792 年 6 月、フランス科学アカデミーの会員であるジャン・バティスト・ジョセフ・ドランブルとピエール・フランソワ・アンドレ・メシャンは、人類史上最大の科学的探検の 1 つを始めるために、パリからそれぞれ反対方向に出発しました。デランブルはパリからダンケルクまでの北線の測量を担当し、メシャンはパリからバルセロナまでの南線の測量を担当した。彼らは測定するだけでなく、その結果に基づいて子午線の弧の長さを計算し、新しい測定単位を確立するための基礎を提供する必要がありました。

1792 年 6 月、フランス科学アカデミーの会員であるジャン・バティスト・ジョセフ・ドランブルとピエール・フランソワ・アンドレ・メシャンは、人類史上最大の科学的探検の 1 つを始めるために、パリからそれぞれ反対方向に出発しました。デランブルはパリからダンケルクまでの北線の測量を担当し、メシャンはパリからバルセロナまでの南線の測量を担当した。彼らは測定するだけでなく、その結果に基づいて子午線の弧の長さを計算し、新しい測定単位を確立するための基礎を提供する必要がありました。

測定作業は7年にわたって続き、最終的に古いフランスの定規5130740トワーズが基準となり、この長さの4000万分の1が新しい長さの標準「メートル」になることが決定されました。

しかし、最新の衛星測定によれば、北極から赤道までの実際の長さは約9,980キロメートルです。つまり、当時の1メートルは、実際には子午線の4000万分の1よりも数ミリメートル短いということになります。誤差はあるものの、経線を使って長さの基準となる統一基準を決めるという科学的な発想は、間違いなく前例のない革新です。

物理的な定規による測定

1798年、科学者たちは測定結果に基づいて、純プラチナで長さ1メートルの定規を作り、最小目盛りは0.01mmでした。 1799 年 6 月 22 日、この定規はパリ公文書館に寄贈され、「公文書館定規」と呼ばれるようになりました。同年12月、国会はメートル法の基準となる公文書定規の法的地位を承認した。

しかし、公文書館が問題を発見するのにそれほど時間はかかりませんでした。アーカイブ定規の端面は摩耗しやすいため、測定が困難になります。第二に、ヤスリ定規の終点の目盛りが不明瞭で、非常に使いにくいです。

この問題を解決するために、1880年から国際度量衡局は31個のプラチナイリジウム合金定規を特注しました。これらの定規を作るのにさらに 7 年かかり、1887 年にようやく完成しました。2 年後、産業技術の進歩により、各国は統一された単位を求めるようになりました。そのため、1889年の国際度量衡会議では、6番の番号が付けられたプラチナ・イリジウム合金の定規が「国際メートル原器」として認定されました。メートル条約に加盟したすべての国は同じ物差しを持ち、それを「国際メートル原器」と定期的に比較して、「メートル」という単位の正確さを確保することになります。

光波の定義

しかし、このメーターのプロトタイプには、使用上まだいくつかの欠点があります。まず、物体である以上、環境の影響を受けるのは避けられません。第二に、使用中の摩耗により、測定の精度と正確さが大幅に低下します。そのため、プロトタイプのメーターが登場した後も、科学者たちは研究をやめませんでした。彼らは、メートルを定義するより正確な方法の探求を続けました。

19 世紀の終わりに、マイケルソン干渉計が発明されました。カドミウムの赤色スペクトル放射が「メートル」の測定に使用されたのはこれが初めてでした。光波計測法は物理的計測に比べて精度が大幅に向上しており、安定性においても優位性を発揮します。その後、ますます多くの科学者が光波を使って長さを測定しようとし始めました。 1950 年代後半、クリプトン 86 同位体光源の方が安定していることが発見されました。したがって、1960 年に「メートル」の定義は次のようになりました。1メートルは、クリプトン 86 原子の 2p10 と 5d5 のエネルギー レベル間の遷移に対応する真空中の放射線の波長の 1650763.73 波長に相当します。

光速度測定

時代の発展とともに、テクノロジーも絶えず進歩しています。 1960年代には、クリプトン86の波長を使用して距離を測定することは科学研究の精度要件を満たすことができなくなり、指向性と明るさに優れたレーザーが徐々に科学者の視野に入ってきました。 1975年、第15回国際度量衡総会は、光の速度を使用してメートルを表すという決議を採択しました。これは「メートル」の現在の定義でもあります。1 メートルは、1/299792458 秒の時間間隔で光が真空中を移動する距離の長さです。真空中の光の速度は一定の値であるため、理論的には光の速度を使用してメートルを定義する方が正確で安定しています。

同時に、光の速度を使用してメーターを表す利点は、それが固定波長の光源ではないことです。光の周波数がわかっていれば、異なる波長の光源を使用して、さまざまな精度範囲内でメーターを記述できます。こうすることで、メーターの定義を頻繁に変更する必要がなくなり、適用範囲が広がります。今のところ、長さの基本単位を光の速度で表すのが最も理想的な定義であると言えます。

「米」という小さな単語がこれほど多くの変化を遂げてきたとは想像もできなかったでしょう。無から有へ、有から卓越へというプロセスは、人々の世界に対する深い理解を反映しているだけでなく、科学者の真実への探究心も反映しています。 1メートルはどれくらいの長さですか？この記事を読んだ後、答えはわかりましたか?

クリエイティブチーム: 中国科学技術館ニューメディアチーム

レビュー専門家: 北京国際数学研究センターのポストドクター研究員、劉宇航