今まで出会った中で最もうるさい理科の先生を思い出してください。答案の小数点第6位を間違えて四捨五入しただけで、成績を下げた先生です。では、そんな先生でさえ几帳面すぎると嫌うような仕事を想像してみてください。メートル、秒、その他の国際標準の計量単位を定義するのに必要なのは、まさにそのような仕事です。
ここでは、驚くほど正確な標準と、長年にわたってそれらの標準を定義、再定義、再再定義する際に要素が果たした役割について見ていきます。
国際メートル法には7つの基本単位があり、過去1世紀にわたって計量学者（彼らにとって測定は科学の始まりではなく、科学そのもの）は、これらの7つの量の定義にますますこだわりを持つようになりました。そして、計量学者が測定を行うための最良のツールのいくつかは、周期表の元素であることが判明しました。最高の測定機器と異なり、元素はどこでも全く同じであるため、完全に再現性のある結果が得られます。そして、周期表の多様性ゆえに、どんな難解な作業でも、おそらくそれに適した元素が見つかるはずです。
メーター
1790年代としては、メートルの最初の定義は悪くなかった。パリを経由して測定した赤道と北極の距離のちょうど1000万分の1。しかし残念ながら、科学者たちは測定を間違え、後に一般的に使用されるようになったメートルの長さは、想定されていた定義から0.2mmずれていることが判明した。これは許容できないほどの誤差だった。
そこで1889年、科学者たちは子午線の定義をプラチナとイリジウムの元素でできた長い棒に置き換えました。誰かが棒の片方の端に傷をつけ、次にもう片方の端に傷をつけました。すると、傷の間隔は1.000000メートルとなり、小数点以下はいくつでも測れるようになりました。
しかし、このようにメートルを定義すると、さらに多くの疑問が湧いてくる。例えば、何度くらいの温度の話をしているのだろうか？物体は熱せられると膨張する。そして、ここでの幾何学的形状はどうなるのだろうか？その長さの棒は、適切に支えられていないと垂れ下がり、支えられている場所によって垂れ下がり方も異なる。曖昧さをなくすため、科学者たちは、棒は0℃、標準大気圧で測定し、直径1センチメートルの2つの円筒で支え、それぞれの円筒を同一水平面上に置き、円筒間の距離を571ミリメートルにする必要があると判断した。
当然ながら、この定義も役に立たなかった。まず、センチメートルやミリメートルでメートルを定義するのは疑問だ。さらに、微視的なスケールでは、傷の幅もそれぞれ異なるため、測定はどこから始まるのだろうか？さらに悪いことに、計量学者たちは、この定義が人工物、つまり人工物に依存していることを嫌った。なぜなら、これは一国の所有物ではなく、世界共通の単位であるはずだったからだ。（実際、他国の科学者がパリまで歩いて行き、0℃まで冷却し、同一の棒に独自の傷を付けて持ち帰らなければならないこともあった。これは、この標準の普及を阻む要因だった。）
計量学者が切望していたのは「操作的」定義だった。彼らは、常に正確に1メートルの大きさの何かを生み出す物理過程を発見したかったのだ。より口語的で時代錯誤的な言い方をすれば、科学者たちは「電子メールで送れる」定義、つまり世界中に送信できる純粋に口頭による指示書を求めていた。そうすれば、どこにいても科学者が実験を行い、同じメートルを再現できる。
科学者たちは1960年代、希ガスのクリプトンによってついにこの目標を達成しました。すべての希ガス（ネオンライトを想像してみてください）は励起されると強い有色の光を発しますが、クリプトンは実に美しく、測定しやすいオレンジ色の鋭い光を発します。そのため、1メートルはクリプトン86原子から発せられるこのオレンジ色の光の波長1,650,763.73倍になりました。これは電子メールで送信できる定義です。なぜなら、すべてのクリプトン原子は同一であり、科学者は必要なときにクリプトン放電管を手に取れば済むからです。科学者たちはついに、白金-イリジウム棒を博物館のベルベットの棺桶にしまい込んだのです。
しかし、計量学者たちは決して満足せず、1983年にメートルを再定義し、クリプトン原子さえも排除しました。現在、1メートルは真空中を光が1秒の2億9979万2458分の1で進む距離です。
もちろん、この定義は、1 秒が実際にどれくらいの長さであるかを知っていることを前提としています...
科学の原動力となる基準を探るシリーズ、次回は明日の放送です。このシリーズは、『消えるスプーン』（周期表に隠された、面白くて奇妙な物語を集めた作品集）の著者、サム・キーンが執筆しています。
