信じられないかもしれないが、今週までキログラムの決定的な単位はパリの一室のガラスドームの下に置かれていた、プラチナ90パーセント、イリジウム10パーセントの合金でできた円筒だった。
円筒形は1キログラムの公式な質量6つのうちの1つであり、1889年以来、その地位を維持してきました。アドルフ・ヒトラーが生まれ、エッフェル塔が建設され、グロバー・クリーブランド大統領がノースダコタ州、サウスダコタ州、モンタナ州、ワシントン州をアメリカ合衆国に併合したのも同じ年です。しかし、世界中の誰とでも瞬時にコミュニケーションを取り、あらゆる情報を即座に引き出し、かつてはスーパーコンピューターだったものをポケットに入れて持ち歩ける時代において、質量の見直しは急務と言えるでしょう。
そして金曜日、60カ国の代表が、地球上の物の量り方におけるおそらく史上最大の変更となるであろう投票を行いました。これは、100年以上前にキログラムを制定したのと同じ国際度量衡総会の場で、フランスの首都近郊のヴェルサイユ宮殿で行われました。
この投票により、質量の SI 基本単位であるキログラムの定義が変わり、キログラムは前述の合金の軸の 1 つという固有の物体から算出されるものではなく、他の SI 基本単位と同様に自然界の定数から計算できるようになりました。
長さのメートルから時間の秒まで、これらの基本単位は、理論上はどこでも再現可能な方法で定義されています。その値の詳細は、こちら[PDF]をご覧ください。例えばメートルを考えてみましょう。これは、真空中を光が1秒の299,792,458分の1で移動する距離として定義されています。速度は一定であるため、メートルも一定です。他のすべての測定機器が基準としている、超高精度のメートル棒を常に保持する必要はありません。人工的な基準物体に頼ることなく、どこにいても距離を算出できます。
しかし、SI 基本質量単位のキログラムはそうではなく、これまでは厳密に保存された物理的な円筒によって定義されていました。
ファンタスティック・フォー
厳密に言えば、この会議は7つの基本単位のうち4つ（キログラム、アンペア、ケルビン、モル）を再定義し、すべて定数に基づくようにすることを決議しました。しかし、キログラムは、何世代にもわたってガラス容器に入った奇妙な円筒形に縛られてきたため、注目を集める大きな変更点となりました。一方、他の3つは、適切な設備を備えた実験室であればどこでも科学実験で測定できます。
いずれにせよ、現在では SI 基本単位の 7 つすべて (キログラム、ケルビン、アンペア、モル、カンデラ、メートル、秒) を定数から定義できます。
注目すべきは、他のすべての SI 単位は、ボルト、オームなどの基本単位から派生しているということです。これらはすべて、家庭の電力供給からインターネット上での昼食の写真の共有まで、あらゆることに関して世界が共通の認識を持つようにするための有名な方法です。
更衣室
質量として計るすべてのものの基準として、パリに瓶に入った円筒形の容器があるというのは、古風な趣がある一方で、少し滑稽でもあります。何十億もの人が、毎年フランスまで行ってキッチンスケールの校正をするなんて、到底無理です。
公式のキログラム質量は6つあり、すべて異なる質量です
その代わりに、基準となる物体は複製され、転送され、また複製され、転送され、誰もが独自のバージョンを持つことになります。もちろん、これは完璧な複製システムではありません。ある地域の1キログラムは、別の地域の1キログラムとはわずかに異なるものになります。それだけでなく、公式の物理キログラムの質量は時代とともに変化してきたため、現在ではキログラムには実際には6つの異なるバージョンが存在します（もし迷っているなら、オリジナルのK1、通称ル・グランKが正式版として挙げられます）。
あらゆるものがピコグラム単位、あるいはそれ以上の精度で測定されるようになった現代において、世界中のどこででも再現でき、全く同じ結果が得られる測定方法を持つことは理にかなっています。計測オタクたちは、国際単位系（SI）を21世紀に移行させる投票を行い、まさにそれを行いました。
そして2019年5月20日以降、比喩的に言えば、これらの古いプラチナ合金はスクラップの山となり、キログラムはプランク定数を用いて測定されるようになります。この数値は、光線中の光子の周波数とそのエネルギーを結び付けています。エネルギーは、この定数に光子の周波数を掛け合わせた値に等しくなります。アインシュタインのE = mc 2の式を用いると、質量（kg）とプランク定数の関係が分かります。
物理学者マックス・プランクにちなんで名付けられたプランク定数は、非常に小さい（6.62607015 x 10 -34 Js）ため、キブル天秤と呼ばれる特殊な装置を用いて測定されます。キブル天秤はイギリスの科学者ブライアン・キブルにちなんで名付けられ、以前はワット天秤と呼ばれていました。キブル天秤はプランク定数を非常に正確に測定できるため、ほぼ完璧なキログラムを定義することが可能になるはずです。これは、合金の円筒を複製するよりもはるかに優れています。
興味深いことに、新しいキログラムの測定単位は、実は比較的最近更新された他の 2 つの標準単位に依存しています。2 つ目の単位は、セシウム 133 原子からの放射線放出によって定義されるものとなるよう 1983 年に改訂されました。また、メートルは前述のように 1960 年に再定義されました。
真空中の光の速度を知ることがメートルを計算するために不可欠であるのと同様に、科学者がプランク定数を正確に測定してほぼ完璧なキログラムを定義することが不可欠であり、これがキブル天秤の重要性です。
しかし、話が逸れてしまいました。皆さんが本当に知りたいのは、1キログラムという重さを、絶対に正確に、驚くほど正確に測るにはどうしたらいいのかということです。
シートベルトを締めて、出発だ
まず、物理学をしっかり理解している必要があります。そして、キブル天秤を手に入れる必要があります。残念ながら、キブル天秤はa) 非常に高価で、b) 小さな部屋ほどの大きさで、そのためc) 世界中で5つほどの専門研究所にしか存在しません。
左は「Le Grand K」、右はキブル天秤です。なぜ私たちが長年、瓶の中の重量を量る方式にこだわってきたのか、お分かりいただけると思います。
それでは、物理学的な側面に焦点を当ててみましょう。前述の通り、質量（m）は本質的にプランク定数（h）と関連しています。キブル天秤が正確に定義された質量を用いて未知のhの値を測定するとすれば、このプロセスは逆のプロセスでも可能です。つまり、hの値を正確に固定することで、未知の質量を測定することができるのです。これが、「電子キログラム」として知られるようになったものの背後にある理論です。まもなく、この概念はキログラムという名称に統一されるでしょう。
これらすべてがどのようにして NIST の 2 人の科学者、ピーター・モーアとバリー・テイラーによって解明され正式に提案されたかについては、1999 年に Metrologia 誌に掲載された論文で詳しく読むことができます。
これが信じられないほど複雑に聞こえるなら、金属ブロックから抜け出すのに 130 年近くかかった理由がこれでわかるでしょう。
残り
アンペア、ケルビン、モルといった他の単位はどうでしょうか？ 同様のアプローチで、それぞれ正確に測定可能な定数で定義され、その値から遡って計算できます。
- アンペアは、基本電荷「e」によって定義され、1.602176634 × 10 –19 Cです。
- ケルビンはボルツマン定数「k」によって定義され、1.380649 × 10 –23 JK –1である。
- モルはアボガドロ定数「N A」で定義され、6.02214076 × 10 23 mol –1となる。
もちろん、これはすべて非常に明確で、自明で、理解しやすいことです。だからこそ、私たちは計測オタクに任せ、少なくとも誰かがこのことに熱心に取り組んでいることを知りながら、至福の無知のままキッチンスケールやマルチメーターに戻るのです。®
