やさしい物理講座ⅴ122「度量衡と物理学の基本的概念と相対論の再考察」
歴史を俯瞰すると「権威」が「権力」と同じように学問を抑圧するのである。そして、その「権威」は、「裸の王様」のように庶民から嘲笑の的となるのである。
誰もが「王様は裸である」ことを知りながら王様の権力に平伏して正しい意見「裸である事実」を言わないのである。
悲しいかな、物理学界における相対性理論に異議を述べる専門家はいないのである。
何故ならば、科学の分野における論争における実害が生じていないためであろう。つまり、百家争鳴・空想論の域を脱していない理由は「屁の突っ張り」にもならない学問としての体たらくのためであろう。ニュートン力学から物理学は科学の先端を走っていたが、1905年に相対性理論が発表になってから120年経過したが低迷が目立つのである。その間に、量子力学などの分野が開花している。そして、相対性理論は当時から根拠のない理論として、当時の物理学界からも認められていなかった。不思議なことに宗教と同じで相対性理論の信者がいて、物理現象を後付けで理論づけしようとしている事には驚かされる。そして、一つ不明な物理現象を「相対性理論」といえば、それで解決という結論付をしていることに驚かされる。
なぜ、不明な物理現象を探究せずに、「相対性理論」で一件落着と短絡的な答えにするのであろうか。
「なぜ」「なぜ」「なぜ」と探究しないであろうか。
これが、弊害であると言わざるを得ない。
言い換えると、このような探究により新しい科学の発見に繋がり、今以上の物理学の発展をしていたのではなかろうか。
相対性理論は物理学発展の弊害であると言っても過言ではない。
それは、歴史を俯瞰すると、「地動説」と「天動説」でも、宗教による「権威」により、科学は400年停滞したのと同じである。
その例からも物理学は「相対性理論」により、120年間、停滞しているのである。
今回は科学の基本の「き」から解説する。
皇紀2684年9月8日
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
科学の基本の「き」
定義（ていぎ）は、ある言葉の正確な意味や用法について、人々の間で共通認識を定めるよう行われる作業。語義。一般的にそれは「○○とは・・・・・である」という言い換えの形で表現される。
そして、人類の量の観念は数の観念と並行して発達してきた。それは、度量衡制度であるが、度量衡は、租税・貨幣・土地制度などの確立のため、計量に用いる長さ（度）・体積（量）・重さ（衡）の基準を定めた制度である。
計量は客観的な基準がなければ困難であり、計量の基準には時間的普遍性、空間的不変性、再現性がなければならない。
度量衡制度は、支配者が徴税の基準を定めたり、大規模な建築を行ったり、天文や気象の知識に基づく権威保持のために用いられてきた。度量衡制度は特に国内一律の徴税や金貨や銀貨などの秤量貨幣の正確な計量が主な目的であった。
しかし、いったん定着して慣習化すると強大な権力でも変更は困難となり、復古によって度量衡を統一することが繰り返された。度量衡の字義的には、度は「長さ」および「さし（ものさし）」、量は「体積」および「枡（升、ます）」、衡は「質量」および「秤（はかり）」を表している。
科学における計量基準
国際単位系（SI)によると、長さ、質量、時間（秒）、電流、熱力学温度、物質量、光度などを定義している。
長さとしての時間
現代の時間の単位
時間の長さを表すのに用いられる計量単位）としては、国際単位系 (SI) においては、唯一、秒 (second) だけがSI単位となっている。
ただし日常的には秒以外に、多くの国や地域において、分 (minute)、時 (hour)、日 (day)、月 (month)、年 (year) が用いられており、しばしば週 (week) も用いられる。また、十年紀 (decade)、世紀 (century)、千年紀 (millennium) なども使われる場合がある。
上記のうち、分 (minute)、時 (hour)、日 (day) の3つは、SI併用単位である。
時間を表すもの
機械式時計が制作されるようになると、天体とは切り離された人工的な時間概念が意識されるようになった。
時計は、より短い周期で振動するものを採用することで精度を上げる技術革新が続き、遂には原子の発する電磁波の周波数によって精密に時間を計測できるようになった。これが原子時計である。
現代の国際単位系では、1967年以降、時間の基本単位として秒を原子時計によって定義している。すなわち、「秒（記号は s）は、時間のSI単位であり、セシウム周波数 ∆νCs、すなわち、セシウム133原子の摂動を受けない基底状態の超微細構造遷移周波数を単位 Hz（s−1 に等しい）で表したときに、その数値を9192631770 と定めることによって定義されるとされている。国際単位系におけるこの秒の定義は、世界的に統一されたものとして、社会生活や産業活動において最もよく使用されている。
時刻
時刻とは、ある特定の一瞬のことである。別の言い方をするなら、時の流れの中の一点（時点）ということである。
１、 時間の定義
改正前の定義
「時間の場合の定義は、「秒（second)は、133Ｃｓ原子の基底状態の２つの超微細準位（Ｆ＝４、Ｍ＝０、及びＦ＝３，Ｍ＝０）の遷移に対応する放射の9192631770周期の継続時間である。」と基準化されている。」
改正後の定義（2019.5.20改定。）
「原子の摂動を受けない基底状態の超微細構造遷移周波数を単位Hz（S⁻¹に等しい）で表したときその数値を9192631770と定めることによって定義される。」
２、 キログラムの定義
改正前の定義
「国際キログラム原器」と呼ばれる「白金イリジウム合金製の分銅」が質量の基準
改正後の定義
「キログラム［kg］は質量の単位である。
その大きさは、単位 s-1·m2·kg（J·s に等しい）による表現で、プランク定数 h の数値を 6.62607015×10⁻³⁴と定めることによって定義される。」
３、時間の定義の解説
⑴ 用語解説
① セシュームについて
原子番号は、55、元素記号は、“Cs”、原子量 132.90545。
分類は、アルカリ金属、レアメタル。
ラテン語の「青い空（caesius）」に由来する。
・発見経緯
1860年、鉱泉水の炎色反応の調査により、
既知のアルカリ金属化合物とは異なる２本の輝線スペクトルを発見。
分光器により輝線スペクトルが青色であることを確認。
（分光分析（炎光分析）で発見された最初の元素）
・利用例
原子時計（133Cs）、
放射線治療（137Cs）半減期 29.68年。（γ線源）、
医療診断、
衛星、全地球測位システム（GPS）など
反応性は、アルカリ金属の中で最大で、空気中でも常温で酸化する。
粉末状のものは自然発火する。
水とも爆発的に反応して水素を発生し水酸化物を生成する。
消防法では危険物指定されている。
ルビジウムも原子時計として使われているが、
セシウム原子時計は、30万年に1秒程度しか誤差が生じない。
・放射性物質なの？
原発事故関連で話題となっているセシウムは放射性セシウムである。
セシウム137（137Cs、半減期30年）と
セシウム134（134Cs、半減期2.1年）などがある。
これらは摂取すると人体に影響がある。
・天然に存在するセシウム
非放射性同位体セシウム133（133Cs）であり、放射能は無い。
大量に摂取しない限り無害である。
② 摂動（せつどう）
典力学や量子力学において，解の求められている運動をする系に，さらに別の比較的小さな力が作用してもとの運動をわずかに変化させるとき，その小さな力の影響をいう。摂動とは、運動などの厳密な解が得られる系に対し、小さい攪乱(かくらん)から生じたずれ（影響）をいう
③ 基底状態（きていじょうたい）
原子や原子核などを構成する粒子や場のシステム（系）、すなわち量子力学系のエネルギーはさまざまな値をとるが、このうちエネルギー値のいちばん低い状態をその力学系の基底状態という。
④ 励起状態（れいきじょうたい）
基底状態より高いエネルギーの状態を励起状態という。
⑤ 遷移（せんい）
物質がエネルギーを吸収して（あるいは放出して）状態が（基底状態から励起状態、又は励起状態から基底状態へ）変化することをいう。
⑵ 計測装置と原理
① 定義と原理の説明
・ある特定周波数の電磁波（マイクロ波）をセシウム（133Cs）原子に照射する
・基底状態のから励起状態（超微細構造の間）を遷移する
・超微細構造遷移周波数（固有な周波数＝電磁波）を放射する。
・放射する電磁波の1回の振幅する時間の9,192,631,770倍を1秒と定義。
② 計測装置
「原子時計」というもので、正確な「秒」を得ている。前述の条件を具現化する機器で「真空・電子・電波などの技術を統合したハイテク機器」です。「100万年に一秒も狂わない」という正確さです。
以上が時間の定義に関する話題です。
４、キログラムの定義の解説
改正前の定義
「国際キログラム原器」と呼ばれる「白金イリジウム合金製の分銅」が質量の基準
改正後の定義
キログラム (記号は kg) は質量のSI単位であり、プランク定数 ℎ を単位 J s （kg m2 s−1 に等しい）で表したときに、その数値を6.626 070 15×10⁻³⁴と定めることによって定義される。
⑴ 用語の解説
① プランク定数 ℎ
1900年にMax Planck博士が黒体からの熱放射を研究する過程で導入した物理定数。
その後光電効果として、光の粒子的な性質のエネルギーに使われる。
振動数ν、波長λの光線はエネルギーEと運動量Ｐ
E=ℎν 、Ｐ＝ℎ/λ
このときの定数ℎは6.62607015×１０⁻³⁴ Ｊｓで、プランク定数と呼ばれる。
プランク定数は量子論における最も重要な基礎物理定数の一つであり、電子の質量と関連づけられる。このため、現行の1 kgをプランク定数によって表現することができる。
①－１ プランク定数の測定
（産総研 主な研究成果 2012年2月27日）
自然界のシリコンには3種類の安定同位体（28Si、29Si、30Si）が存在するので、モル質量を決めるには同位体存在比を測定する必要がある。
28Siだけを99.99 %まで濃縮した28Si単結晶を製作。
この28Si単結晶を用い、プランク定数を当時の世界最高精度3 × 10－8（1億分の3）で測定した
この測定精度は国際キログラム原器の長期安定性を凌ぐものであったが、
米国標準技術研究所（NIST）がキッブルバランス法で決定したプランク定数とは一致しなかった。
①－２ プランク定数の測定内容
アボガドロ国際プロジェクトで制作した28Si単結晶から研磨された球体を用いた。
球体の質量と直径はそれぞれ約1 kgと約94 mmであり、
その質量と体積を精密に測定し、密度を決定した。
体積測定には産総研で開発したレーザー干渉計を用いた。
約2000方位から球体の直径を測定し、2×10－8の精度で球体体積を決定した。直径の測定精度は0.6 nmであり、ほぼ原子間距離（格子定数）に相当する。
直径測定は、産総研が開発したレーザー波長の精密制御技術と、球体温度の精密計測技術（精度6/10000 °C）によって実現した。
シリコン球体の質量は、超高精度な質量比較が可能な真空天びんを用いて、質量の国家計量標準である日本国キログラム原器と比較して測定した。
シリコン原子を数えてプランク定数を決定するには、シリコン原子だけからなる部分（シリコンコア）の質量と体積を決定する必要がある。
X線光電子分光法と分光エリプソメトリーによる球体表面分析システムを開発した。シリコン球体の回転機構を備え、球体の全表面を分析できる。
このシステムにより、球体表面層の組成を決定し、さらに球体表面層の厚さを0.1 nmの精度で測定した。シリコン球体の質量と体積の測定値をこの表面層分析結果で補正し、シリコンコアの質量と体積を決定した。
シリコン球体の表面層の組成を決定し、表面層の厚さを0.1 nmの世界最高の精度で測定できる。いずれの装置も球体回転機構を備え、球体全表面を分析できる。
今回測定したシリコンコアの質量と体積を、この精度は、1 kgに換算すると24 µgであり、国際キログラム原器の質量安定性である50 µgを凌ぐ。
② アボガドロ数
物質量 1 mol を構成する粒子（分子、原子、イオンなど）の個数を示す数である。国際単位系 (SI)における物理量の単位モル(mol)の定義に使用されており、その値は正確に 6.02214076×10²³ mol と定義されている 。
2019年5月20日改定。
アボガドロ数の値は電気素量，α崩壊の測定，X線による結晶解析などにより求められる。
⑵ プランク定数は二通りの方法で測定方法
① キッブルバランス法
② X線結晶密度法。
産総研は、X線結晶密度法を用いた。
この方法では、シリコン単結晶の密度、モル質量、格子定数を測定し、シリコン単結晶に含まれる原子を数えてアボガドロ定数を測定する。
⑶ プランク定数を使った計量、計測方法
① プランク定数hと電子1個の質量m（e）との関係は
「m（e）=2R∞h /(cα²)」で与えられる。
c：真空中の光速度
α：微細構造定数
R∞：リュードベリ定数 （R∞＝m（e）cα²/（２ℎ）と表される ）
②プランク定数とアボガドロ数の関係式
プランク定数hとアボガドロ数NAとの関係はNA=cMeα²/(2R∞h)
アボガドロ数の測定値から、ほぼ同じ精度でプランク定数を算出できる
⑷ アボガドロ数を使った計量
① プランク定数から導出した電子の質量を基準として、「¹²C 」1個の質量を求めることができる。
さらに、キログラムを莫大な個数（5.018∙∙∙×10²⁵個）の「¹²C」の質量に等しい質量として表現できる。
つまり「¹²C」 の１２ｇが1モル（6.02214076×10²³mol）とすると１０００/１２がその１ｋｇの質量になります。
② 「¹²C 」との相対原子質量とアボガドロ数から計量
電子と任意の核種、例えば¹²Cとの質量の比は高精度に分っている。
Ù＝ｍ（¹²C）/１２これは水素原子の一個当たりの質量に非常に近くなる。
このようにして、相対原子質量を求めることができる。
⑸ ハイゼンベルクの不確定性原理
① 位置の不確定さをΔ✕、運動量の不確定さΔＰとすると
ΔＸ⋆ΔＰ＝ℎ （ℎはプランク定数）
② エネルギーΔＥ、と時間Δｔの不確かさ
ΔＥ⋆Δｔ＝ℎ （ℎはプランク定数）
従来は「誤差」と呼ばれていたが、最近では「不確かさ」が正式な用語となりつつある。
⑹ 重力質量と慣性質量の計量
① 重力質量は地球の同一地点で働く重力と標準物体（キログラム原器）の比較の値でこれを計量するのに天秤が使われる。無重力の空間ではこれが使えない。
② 慣性質量は同じ大きさの力が働いたときにある物体が得られる加速度の大きさと標準物体が得る加速度の大きさとの逆比の値で定義された質量で、物体がもつ慣性の大きさを表します。
ニュートン運動方程式：Ｆ（力）＝ｍ（質量）×ℊ（加速度）から
ℊ（加速度）＝Ｆ（力）/ｍ（質量）とすると、質量ｍは「慣性力」の大きさを示している。すなわち、力Ｆが同じであるとすると質量が大きい程、加速度ℊが小さい、つまり速度が変化しにくいとこを表しています。
ニュートン力学では質量が「一定の値」を持つと考えられている。
重力質量は重力ℊが加速ℊと同等である。
計量基準と相対性理論を考察
「重力により時間が遅れる」・「光の速度が速くなるとで時間が遅くなる」・「重力で光が曲がる」など、議論の余地がないほどに唯我独尊の主張の態度である。
その事例として、電子時計を飛行機に乗せて、地上との時間のずれが生じたから一般相対性理論が正しいと主張するが、電子時計の装置に物理的力が加わり、原子に摂動（運動などの厳密な解が得られる系に対し、小さい攪乱(かくらん)から生じたずれ（影響）をいう）が生じたと考えることができ、一般相対性理論の証明にはならない。そして、見えないはずの遠方の星が皆既日食時に観測できたという事例は光が重力により曲げられたのではなく、通常我々が物理現象として経験する光の屈折で説明できる現象である。太陽の周りに存在する宇宙間ガスが重力でガスの濃淡を作り出して、その宇宙空間ガスの存在が「光の屈折」を作り出したと考えることができる。そして、いま、天体ショーとして噂の「重力レンズ」と言われる観測結果も宇宙空間ガスの濃淡が作り出した現象と捉えることができるのである。これを、一般相対性理論の証明の証拠と騒ぎ立てて、いるのが、物理学界であり、天文学界であろうか。一般相対性理論で重力で光は赤方偏移を起こすと言われる証明のための「メスバウアー効果」で証明したと言われている実験も実験装置に真空ではなく空気の存在が放射線のエネルギー減衰現象を起こし、赤方偏移したと捉えることができる実験であり、実験ミスである。
もっと、吾輩の主張する別の視点で観測するならば、新しい物理現象と天文現象が発見されることと強く思うのである。相対性理論が物理学の停滞を招いているのが弊害であろう。宗教と同じように「相対性理論」の信者が布教活動をしているような論評をしていることも気がかりなのである。
参考文献・参考資料
阪上孝・後藤武 編著 『はかる科学』中公新書 2007.10.25発行
p26～54
小暮 陽三 著『物理のしくみ』日本実業出版社 1994.10.15 8刷発行
p132
後藤学著『相対性理論のどこがおかしいか』ｐ324～326「相対論はやはり間違っていた」徳間書店 1995.5.10
巻末資料２ A・Einstein 『 E=Mc²に関する論文 』ｐ18～20
原 康夫著『量子力学』岩波書店 1994.6.6 1刷発行 p3～5
伊藤幸夫・寒川陽美著『単位の基本と仕組み 国際単位系（SI)』秀和システム 2004.8.10 第一版1刷 p62～、p104
国際単位研究会著『SI単位ポケットブック』日刊工業新聞社 2003.6.26 2版1刷
今井秀孝監修『計量の本』日刊工業新聞社 2007.11.30 1版1刷 p134
中井多喜雄著『早わかりSI単位辞典』技報堂出版 2003.9.1 1版1刷発行
山内薫著『分子構造の決定』岩波書店 2003.10.10 3刷発行 p6～15
吉田伸夫著『素粒子はなぜわかりにくいのか』技術評論社 2014.1.10 初版1刷 p129～158 摂動法
ジム・アル・カリーリ著 林田陽子訳『見て楽しむ量子物理学の世界』日経BP社 2008.9.29 1版1刷
時間とキログラムの定義の解説｜tsukasa_tamura (note.com)
「時間の遅れ（time dilation）」の錯誤｜tsukasa_tamura (note.com)
やさしい物理講座ⅴ110「『空間と時間で混乱』を作り出した相対性理論」｜tsukasa_tamura (note.com)
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