1メートルを測るにはメジャー、1キログラムを測るにははかり、1秒を測るにはストップウォッチと、長さや重さを測る道具は身の回りにいくらでもあります。では、メジャーに書かれた1メートルは一体どうやって測ったのでしょう？そもそも1メートルとは、いったい何の長さなのでしょうか？

長さに限らず、重さや時間も人間が定めた規則であり、厳密な国際的基準が存在します。この記事では、長さや重さの基準がどう定められてきたか、そしてどう変わってきたかについて解説します。

2023年8月5日加筆

1メートルと1キログラムのはじまり

メートルとキログラムが初めて定義されたのは、18世紀末のフランスでした。

1799年、長さと重さの基準を統一するため、正確に1メートルと1キログラムに合わせて作られたメートル原器とキログラム原器が作成されます。これがメートル法のはじまりでした。その後1875年、複数の国の間で長さや重さの単位統一を目的としたメートル条約が制定され、ヨーロッパから17か国が条約に加盟。日本は1885年に批准し、メートル法を取り入れています。

20世紀を通して、メートル法と長さ・重さの基準は大きく形を変えてきました。

まず、メートル法自体が国際単位系(SI)という単位系に発展しました。国際単位系は長さと重さだけでなく時間や電流、温度などの単位を定めたものです。これらの単位は物理学で使われる単位も含まれているため、定義と数値には厳密さが求められます。加えて、金属をもとにした原器は熱や摩擦などで長さや重さが変化する可能性があることから、より正確で不変の基準を求めて1メートルや1キログラム、果ては1秒の定義までが変わっていったのです。

ここからは、日常でもよく使う時間、長さ、そして重さの基準を見ていきましょう。

1メートルの定義

1メートルは最初、赤道と北極点までの距離の1,000万分の1の長さとして定義されました。地球の大きさに基づいたこの基準はフランスで定められ、1799年にはアルシーヴ原器と呼ばれるメートル原器が作成されました。メートル原器とは、1メートルとはこれだけの長さだと示す、定規の親玉ともいえるものです。

しかし地球の大きさを基準にすると不都合もありました。地球の表面は正確な曲面ではないために基準とするには不向きであるうえ、基準値の再測定には膨大な費用と労力がかかります。そのため1869年にはアルシーヴ原器そのものが1メートルの基準とされました。そして1889年、アルシーヴ原器を元にした国際メートル原器が作成され、世界標準となっていきます。

(メートル原器)

しかしメートル原器は当初から熱や時間経過による変形などの問題点が指摘されており、時間経過で変化しない物理的性質などを基準にしてメートルを定義するべきだという意見がありました。そのような定義が実現するのは、ようやく20世紀後半に入ってからのことです。

現在1メートルは、「1秒の299,792,458分の1の時間に光が真空中を伝わる距離」と定義されています。これは秒速299,792,458メートルという光の速さを高い精度で測定できるようになったこと、さらに精度の高い原子時計で1秒を正確に定義できるようになったことで実現しました。光の速さは光源の動きや方向などに関係なく変わることはありません。物理法則に基づいた定義をすることで、時間が経っても変化しない信頼性の高い基準を定めることができるのです。

１秒の定義

最初に定められた１秒の定義は、１日の長さを86,400で割った長さの時間とされていました。1日が24時間、1時間は60分、1分は60秒なので、1日は86,400秒です。

やがて、この定義では精度に問題があることが判明します。1日の長さはすなわち地球が1回自転する速さですが、地球の自転速度は月と地球の重力の相互作用や季節の変動でわずかながらばらつきが出てしまうのです。

これを受けて1956年、1秒の定義が1年の長さ、すなわち地球が太陽の周りを一周する時間に基づくよう定義が修正されました。しかしこちらは、きりがいいからと選ばれた西暦1900年の1年の長さを計算によって求めたもので、基準値を測定することが不可能であるという問題がありました。

問題はメートル原器の例と同じです。つまり地球という実在する物質の動きを基準にしたため、不安定で再測定しにくい基準になってしまったのです。これを解決するために、やはり不変の物理法則に基づいた定義が望まれました。

現在使われている「1秒の定義」は1967年に決定されたもので、セシウム原子時計を使って定められました。

１秒の定義をそのまま和訳すると「秒は、セシウム 133 の原子の基底状態の二つの超微細構造準位の間の遷移に対応する放射の周期の9192631770倍の継続時間である」となりますが、このままで意味不明ですので、ざっくり説明しましょう。

セシウムは特定の周波数（9,192,631,770Hz）の電磁波を浴びせる（放射）と「励起（状態の遷移）」と呼ばれる反応を起こします。少しでも周波数が違うと反応しません。そこで１秒の定義にこの性質を利用することにしました。

まず、周波数というのは１秒間における電磁波の振動数のことですので、逆に言えば、セシウムに浴びせた電磁波が9192631770回振動する時間と１秒は一致するはずです。定義の中では周期の◯◯倍と言っていますが、周期というのは１回振動するのにかかる時間なので、それを9192631770倍にすれば１秒になります。

要するに「今まで周波数の定義に『１秒あたりの振動数』とか使ってきたんだから、それを逆に１秒の定義に使っちゃえ」ということです。

ちなみに、セシウムの性質は時間が経っても変化したりばらついたりせず、装置があれば再測定も行えるので、この新しい定義によって、これまでの問題点が一挙に解決されました。

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