1メートルと1秒には、どれほどの深遠な科学的原理が含まれているのでしょうか?それはあなたの想像力を覆すかもしれない

私たちは三次元の世界に住んでいます。つまり、私たちが知っているすべてのものは、長さ、幅、高さという 3 つの空間次元を持ち、私たちが見ている世界は三次元の世界なのです。アインシュタインの相対性理論の出現以来、この世界の空間と時間は一体であり、時間の次元は三次元空間を流れていることが人々に認識されるようになりました。したがって、私たちが実際に住んでいる世界は 4 次元の時空です。

私たちが知っている世界では、空間はすべての物質的存在の延長であり、時間は人々の意志とは無関係に存在する物質的運動の過程、秩序、継続性です。人々は時間と空間を観察し、特定のツールを使用することによってのみそれを記述することができます。

この道具は時間と空間の測定単位であり、人間が世界を理解するための最も基本的な道具です。

世の中のさまざまな物質の大きさを表すために、人々はミリメートル、センチメートル、メートル、キロメートルなどの単位を発明しましたが、その中で最も基本的な単位はメートルです。同時に、動的な時空の性質をより正確に測定するためには、物質の大きさを測定するツールに加えて、時間、分、秒など、物質の運動過程を測定するツールも必要であり、その中で秒が基準となります。

したがって、時間、分、秒、ミリメートル、センチメートル、メートル、キロメートルは、人々の日常生活で最も一般的に使用される測定単位です。

これらの測定単位を使用すると、アリが 1 秒間に 1 cm 這うことができるなど、さまざまな日常の物事の変化をほぼ測定できます。平均的な人は時速約4キロメートルで歩きます。高速道路では車は時速 100 キロメートル以上の速度に達することができます。旅客機の飛行速度は時速約800キロメートルなどです。

これらの日常的な時間と測定単位は、一般の人々の日常生活には十分です。たとえば、1 秒は単なるティックなので、1 秒未満の数字はあまり意味がないようです。 1ミリメートルはゴマ粒ほどの大きさにもならないので、これ以上細分化する意味はないようです。

しかし、科学的な測定においては、長さや時間といった日常的な単位では到底不十分です。たとえば、一般的に使用されている測定単位を使用して、小さなものや微視的な世界を説明するのは非常に困難です。

たとえば、昆虫の世界を研究している科学者たちは、昆虫の種類によって羽ばたく速度が異なることを発見しました。羽ばたくのに、ハエは 0.3 千分の 1 秒、蚊は 0.2 千分の 1 秒、ハチは 0.5 千分の 1 秒、といった具合です。数億メートルや数億秒など、さらに小さいものを測定するのはさらに困難です。

この説明は非常に面倒で不正確です。ミクロの世界をより正確かつ便利に記述するために、科学的研究はますます詳細なミクロスケールを生み出してきました。

例えば、長さの単位はメートル、センチメートル、ミリメートルの下に、マイクロメートル、ナノメートル、ピコメートル、フェムトメートル、アトメートル、ゼオメートル、ミリメートルに分けられます。 1 ミリメートルは 1000 マイクロメートルに相当します。 1 マイクロメートルは 1000 ナノメートルに相当します。 1 フェムトメートルは 1 メートルの 1000 兆分の 1 です。

それに応じて、時間の測定単位もより小さな単位に分割されます。秒の下には、ミリ秒、マイクロ秒、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒などがあります。各レベルは、前の単位の 1000 分の 1 の大きさです。たとえば、1 秒は 1000 ミリ秒に等しく、1 ミリ秒は 1000 マイクロ秒に等しくなります。 1 フェムト秒は 1000 兆分の 1 秒です。

これらのミクロの測定単位を使用すると、ミクロの世界を説明するのがはるかに簡単になります。たとえば、先ほど述べた昆虫が羽ばたく時間間隔は、ハエは 3 ミリ秒、蚊は 20 ミリ秒、ハチは 5 ミリ秒と記述するだけで済みます。さらに、より繊細で微細なミクロの世界を正確に描写することが可能になります。

たとえば、人間の細胞の大きさはわずか 5 ～ 200 ミクロンであり、細菌の大きさはわずか 0.5 ～ 5 ミクロンです。ウイルスは細菌の100倍以上小さく、大きさは数十から100ナノメートルしかありません。人間の DNA 分子の大きさはわずか 10 ナノメートルですが、20,000 個以上の遺伝子と 31 億 6,000 万個の塩基対が含まれています。

物質を構成する分子、原子、電子、そして私たちの世界を満たす光子は、さらに小さなスケールの単位です。水分子の直径は約 0.4 ナノメートル、水素原子の直径は約 0.1 ナノメートル、原子核の直径はわずか約 1.7 フェムトメートルです。

科学は、これらの小さな測定ツールを利用して、フェムト秒カメラなどの高精度計測ツールを作り続けています。このカメラは毎秒1兆フレーム以上の画像を撮影できます。このカメラの下では、世界最速の光の速度はカタツムリになります。そして、100メートル走のゴールまでの全力疾走や、モータータンパク質のゆったりとした8ナノメートルの歩幅など、人間の目では区別できないミリ秒、マイクロ秒、ナノ秒レベルのものも、すべてカメラではっきりと見ることができます。

現代の量子力学では、人間が理解できる最小のスケールはプランクスケール、つまりプランク時間とプランク長であると考えています。これは、一般相対性理論から導かれる特異点の必然性、空間と時間におけるゼロ点の存在、量子力学の不確定性原理に基づいており、不確定性の程度はプランク定数に依存します。

プランク定数によれば、長さの最小単位は 1.6 × 10 のマイナス 33 乗 / センチメートルであり、これは原子核よりも 20 桁小さいスケールです。対応する最小の時間単位はプランク時間で、これはおよそ 10 のマイナス 43 乗 / 秒、つまり 1 兆分の 1 秒の 1 兆分の 1 になります。

人間が現在認識できる世界は、すべてビッグバン以降の規模と時間から始まりました。

量子力学では、この長さと時間よりも小さいものは正確に測定できないと結論付けられています。したがって、現代物理学では、すべての理論はプランク時空で失敗します。プランク時空は私たちが認識できる時空ではなく、超時空に属します。例えば、ブラックホールの事象の地平線の内側や特異点、ビッグバンの特異点やそれ以前のすべてのものは、現代理論の終点、つまり人間の認識を超えた空間と時間の終点です。

人類の自然法則に対する理解は、現在も両方向に深く発展しており、ミクロな量子の世界とマクロな宇宙の深みへと絶えず拡大し続けています。

したがって、ミクロの世界の測定単位に加えて、マクロの宇宙の測定単位も存在します。

地球を離れると、人間が地球を測るのに使うスケールの単位を使うのは不便に思えます。地球に最も近い天体は月で、地球から平均約384,000キロメートル離れています。ここではキロメートルレベルの測定単位を使用しても問題ないようです。しかし、より遠い場所に到達すると、キロメートルで測定するのは少し不便になります。

たとえば、地球は太陽から約 1 億 5000 万キロメートル離れているため、海王星までの平均距離は約 45 億キロメートル、冥王星までの平均距離は約 60 億キロメートルとなります。

太陽系の惑星間の距離を説明しやすくするために、科学者はAUと略される天文単位を確立し、地球から太陽までの平均距離である1億4,960万キロメートルを1AUと設定しました。このように、海王星までの平均距離は約 30AU であり、冥王星までの平均距離は約 40AU です。

現代の科学的研究では、太陽系の惑星系の重力範囲は冥王星を超えて広がっていると考えられています。太陽から1光年離れたところで、太陽の重力によってオールトの雲帯と呼ばれる領域が形成され、そこには彗星が密集しています。これらの彗星は太陽系を包み込む巨大な球体を形成します。

1光年とはどういう意味ですか?光が1年間に移動する距離です。これは宇宙のより大きなスケールのために用意された測定単位です。太陽系の外では天文単位は無効になり、光年を使用する必要があります。

光の正確な速度は毎秒299,792,458メートル、つまり毎秒約300,000キロメートルです。 1 時間は 3600 秒、1 日は 24 時間です。科学者たちは光年を計算するためにユリウス年を決定しました。 1 年は 365.25 日なので、ユリウス暦の 1 年は 31557600 秒になります。光が1年間に移動する距離は9460730472580800メートル、つまり約9兆4600億キロメートルです。

これは距離の単位である1光年で、およそ9兆4600億キロメートルになります。太陽系の重力半径は約 1 光年で、天文単位では 63,000 AU 以上に相当します。したがって、太陽系の外では、測定に天文単位を使用することはもはや便利ではありません。光年は一般に星間の距離を測定するために使用されます。

光年よりも大きい天文学的な距離の単位としてパーセクがあります。いわゆるパーセクは三角視差に基づいた測定単位です。英語では Parsec と呼ばれ、略称は pc です。 1pc は約 206264.8 AU、つまり 3.26 光年です。しかし、天文学的な測定では、より広く使用されている測定単位は依然として光年です。

現代天文学の標準的な宇宙論モデルによれば、宇宙は約138億2000万年前にビッグバンから始まったとされています。宇宙の急速なインフレーションと膨張により、観測可能な宇宙の半径は現在 465 億光年に達しており、観測可能な宇宙には数千億、あるいは数千兆もの銀河が含まれています。

ハッブル望遠鏡は、地球から最も遠い銀河が134億光年離れていることを観測しており、昨年打ち上げられたウェッブ望遠鏡はこの距離をさらに2億光年延長し、最も遠い銀河が136億光年離れていることを発見しました。つまり、銀河はビッグバンから2億年以内に広く形成されたということであり、これは宇宙の形成に関する従来の理論に疑問を投げかけるものであった。

天体距離を測定する方法は数多くありますが、主なものとしては三角測量視差法、セフェイド周期光度関係法、銀河スペクトル赤方偏移法、Ia型超新星標準光源法などがありますが、ここでは一つ一つ紹介しません。

ここで、明確にする必要がある疑問があります。時間と距離を測定するためのこれらのスケールの基準は何でしょうか?それは正確ですか?小さな間違いが大きな間違いにつながる可能性があることを知っておく必要があります。これは古代から現代に至るまでの最も基本的な真実です。実際、この記事全体の長い序文から、時間と距離を測定するための最も基本的な尺度はメートルと秒であることがすでにわかりました。

ここで、今日使用されているメートルと秒がどのように生まれたのか、そしてそれが正確であるかどうかについて簡単にまとめてみましょう。

メートルの定義はフランスで生まれました。もともと、1メートルは、パリを通る子午線を基準として、赤道から北極までの距離の1000万分の1と定義されていました。この長さに基づいてプラチナを使用したメートルの試作品が作られ、現在はフランス国立公文書館に保管されています。数回の改訂を経て、このプラチナ棒メーターのプロトタイプはパリの国際度量衡局の地下室に保管されました。 0℃、1気圧の環境下では、白金棒の両端の目盛り間の距離は1メートルと規定された。

ただし、この白金棒米のプロトタイプは、時間、湿度、温度、気圧などにより、ごくわずかな誤差が生じます。

人々の光速に対する理解がますます正確になるにつれ、光速を整数にするために、国際度量衡会議は2019年にメートルの定義を改訂し、白金棒メートルの原型を廃止し、「真空中を光が1秒間に移動する距離が299,792,458分」が1標準メートルであるとメートルを定義しました。

つまり、光速の正確な値は、光が真空中を 1 秒間に移動する距離が 299,792,458 メートルであり、これは整数です。これにより、以前のプロトタイプメーターのスケールに非常に微妙な修正が加えられ、メーター、光の速度、時間が正確で統一された測定ツールになりました。さらに、この標準メートルは物理的な物体ではなく、真空中の不変の光速度であるため、誤差は発生しません。

ここには、最も重要な基本データである秒数も含まれています。 1メートルの長さは、真空中を光の速度で1秒の299,792,458分の1で移動する距離によって決まるため、この1秒の「刻み」の精度は最も重要な鍵となります。では、この数億秒はどのように計算されるのでしょうか?

この 1 秒の単純な「チクタク」を過小評価しないでください。そこにはより洗練された科学が隠されています。現在使用されている「秒」は、1967 年に開催された第 13 回国際度量衡会議で決定され、セシウム 133 原子が基底状態の 2 つの超微細エネルギー レベル間を遷移するときに放射される電磁波の周期の 9192631770 倍として定義されています。

この舌を噛みそうな文章はどういう意味ですか?簡単に言えば、すべての原子は独自の特徴的な振動周波数を持っており、セシウム原子の基底状態の超微細エネルギーレベル間の遷移に対応する放射周波数は、1 秒あたり約 92 億サイクルです。 9192631770 サイクルの遷移期間の正確な計算が、1 標準秒の定義として使用されます。

セシウム原子の振動周波数を利用して作られた時間計測ツールはセシウム原子時計と呼ばれ、その誤差は2000万年で1秒以内と非常に小さくなります。

この洗練された「標準秒」と「標準メートル」のツールにより、科学者はこれを基にミクロとマクロの測定ツールを区別し、世界の測定と記述はますます洗練され、正確になりました。

度量衡については複雑な知識がたくさんあるので、今日はこの辺で止めて、また後でお話しすることにします。

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