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元サッカー少年。今はしがない化学屋です。

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雑学:続・メートルのお話
前回の続きです。

波長測定技術の急速な向上は,それまで安定であると思われていたクリプトン86の発光スペクトルが,同じく急速に発展してきたレーザー光に比べると周波数(光波長)が大きな幅を持つ不安定な光源であると感じさせるようになりました。当然ながら,メートルの定義を変更した方がよいのではないか,と言う議論が巻き起こります。

しかし同時期にセシウム原子時計の登場により極めて高い精度で時間を測定することが可能となったことで,大きな逆転現象が発生したのです。

1967年の第13回国際度量衡総会において「1秒はセシウム133(133Cs)の原子の基底状態の2つの超微細準位の間の遷移に対応する放射の周期の91億9263万1770倍に等しい時間」であると定義されました。これはつまり,セシウム133原子から発生する放射光の周波数が厳密に定義されたことを意味します。

光速と波長の間には「光速=周波数x波長」の関係があります。セシウム原子時計を使うことであるレーザーの周波数を厳密に測定することができます。また,同時にメートルの定義に用いられているクリプトン86の波長を元にすれば,そのレーザーの波長を求めることも可能になります。この両者の値を用いれば,光速も厳密に求めることができるはずです。

世界各国の研究機関が厳密な測定を繰り返し,最終的に299792458 m/sという値が得られました。

これは,それまで別の方法で求められてきた光速よりも高い精度で求められた値ではあります。しかし,ご覧のように当時最高の技術を持って測定を行っても,9桁までの精度でしか光速を求めることが出来ませんでした。時間の定義は10桁の精度を持っているにもかかわらずです。なぜそんなことが起きてしまったのでしょうか。それは,波長の基準となるクリプトン86が出す光の波長がそれだけの幅を持った光であったのが原因でした。

ということはつまり,今後どんなに精度良く時間を計る技術が生まれたとしても,クリプトン86の放射光を基準にしている限り,それ以上の精度で光速を求めることが出来ないことになります。これは,レーザーによりさらに波長精度の高くなった光を使ったとしても,同じような壁が発生することは目に見えていますし,そもそもより波長精度の高いレーザー光が開発されたとしても,そのレーザー光の絶対波長をどのようにして求めるかという問題も出てきてしまいます。

そこで,逆転の発想が生まれました。この当時すでに1920年代のマイケルソンによる実験で地球上どこでも光速が一定の値を持つこともわかっていました。であれば,

光速そのものを定義としてしまえばよいのではないか

と言う発想です。

光の速度が定義されてしまうということは,言い換えてしまえば,光速が299792458.0000000000000…m/sという無限の精度で測定されていると見なすと言うことになります。こうしてしまえば「光速=周波数x波長」の関係から周波数(=時間)か波長(=長さ)のどちらか精度良く計れる方の値から,もう一方の値を定義してしまうことが出来ます。つまり現状では時間の方が精度良く計れるわけですから,長さではなく「光速の値を基準として定義する」ことにより,より高い精度で測定できる「時間の精度」で長さを表現できてしまうことになるのです。

結果的に1983年の第17回国際度量衡総会において真空中の光速は299792458 m/sであると定義され,自動的に

1mとは1秒の299792458分の1の時間に
光が真空中を伝わる行程の長さ


と定義されることになりました。これが現在の「メートルの定義」です。

実際のところ,実験的に「1秒間に光が真空中を進む距離の 299792458分の 1」という長さを表現することは非常に困難なのですが,極めて安定な光を出すとされている「よう素安定化 He-Ne レーザー」の周波数を世界各国の研究機関で求め,勧告値として世界中で用いることにしました。これにより,この値と定義されている光速から11桁の精度で長さを測定することが可能となりました。メートルの定義が変更された1983年以降,日本の長さの基準も,この「よう素安定化 He-Ne レーザー」が用いられ続けていました。

しかし,先日この基準が変更になりました。実に26年ぶりの出来事です。

これまで日本の長さにおける国家標準は,すべてメートルの定義とともに変化してきましたが,今回は初めてメートルの再定義とは無関係に変更されました。

いつものように長くなりましたので,今回新しくなった国家標準「協定世界時に同期した光周波数コム装置」についての説明は別エントリとさせていただきます。
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テーマ:科学・医療・心理 - ジャンル:学問・文化・芸術

雑学 | 20:12:50 | Trackback(1) | Comments(0)
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雑学:続々・メートルのお話
前回の続きです。 前回書いた通り,光速が「定義」として設定されたことにより,波長(=長さ)を求めるためには「光の周波数」を厳密に求... 2009-09-17 Thu 22:04:20 | ぷろどおむ えあらいん

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