130年ぶりにキログラムの定義が改定されるかもしれない件

　ものの単位は国によってさまざまだ。

　たとえば重さなら日本ではキログラムが一般的だろうが、アメリカなどではポンドを使ったりする。ちなみに1キログラムは2.2ポンドあるいは1000グラムだ。

　ところで、その意味をちゃんと理解しているだろうか？

　計測の単位について世界中で同意を得ることは想像以上に難しい。じつは今、重さの単位に関する定義が約130年ぶりに変更されようとしている。

キログラムはどうやって決められているか？

　現在、世界標準となっているキログラムは「国際キログラム原器（IPK）」という、プラチナとイリジウム製の円柱が基になっている。

　国際キログラム原器は40年に1度計測され、きちんと1キログラムであることが確認される。ところが、最近の計測結果からは、IPKの重さは不安定であることが明らかとなっている。 　このために、貿易や科学の分野、さらにはロケット工学のような厳密な精度が求められる分野に混乱を引き起こしかねないと懸念されている。

　それだけではない。現在IPKはフランスにある国際度量衡局で厳重に保管されているのだが、万が一、事故が起きて紛失でもすれば世界から1キロを知る手段が失われてしまう。

　そんな問題のある原器の重さを基に1キロを定めているなど不思議にも思えるかもしれない。だが、それが長年世界で採用されてきたことにはきちんとした理由がある――それ以外の方法で1キロを知るのが困難だからだ。

計測学における単位の発展

　さまざまな単位は自ずと決まっているとお考えかもしれない。

　例えば、1日なら24時間、1時間は60分、1分は60秒といった具合だ。しかし歴史的に見ると、それらは世界で観察される自明の現象を基にして定義されているのが本当だ。

　計測学においては、そうした自明の現象はアーチファクトと呼ばれている。

　航空宇宙技師のマックス・フェイギンは自身のツイートの中で、科学者はアーチファクトと比べて何かを測るやり方を乗り越えようと長年努力してきたと述べている。

　たとえば、かつて1秒は地球が太陽を1周するのにかかる時間の1/31556925.9747の時間であるとされた。しかし現在では、セシウム133原子の中の電子が9,192,631,770回振動するのにかかる時間と定義されている。

　なぜこんなにも面倒なやり方をと思うかもしれないが、原子の振る舞いを用いることで、宇宙のどこにいようとも、1秒が1秒であることをかなりの確かさで知ることができるというメリットがある。

　要するに、科学者は、計測単位を決めるために人為的な対象を比較することをやめて、普遍的な定数に求めようとしているのだ

　――それなのに、キログラムだけはできなかった。 シテ科学産業博物館に展示されているキログラム原器のレプリカ。二重のガラス製の鐘の中に保管されている image credit:wikipedia/commons

キログラムの特殊性

　秒は、キログラムやメートルほか4つの単位と一緒に国際単位系（SI単位）を構成する。これは計測単位の基本となるもので、そのほとんどはアーチファクトを用いずに定義されている。

　ところがキログラムについては、複雑怪奇な重力を考慮せねばならないために、アーチファクト抜きで定義することがきわめて困難だった。

　質量と重量は混同されやすいが、じつは別物で、物の中にどれだけ物質があるかを意味する。科学者が国際キログラム原器抜きでどうにかキログラムを定義したいと考えているのもこのためだ。

プランク定数でキログラムを新しく定義

　そして採用されたのがワット天秤である。現在、アメリカ国立標準技術研究所やイギリス国立物理学研究所など、いくつかの研究所で開発中のこの機器は、プランク定数を基にキログラムを定義できると期待されている。 　プランク定数とは、量子論を理解するにあたって中心的な役割を果たす物理定数である。

　要するに、ワット天秤は質量を決めるために、重量を測るのではなく、2枚の板の間の電磁力を測ることで決める。それも真空の中でだ。

　つまりは電力によって物体の質量を計測する。それにはいろいろややこしい計算式があるのだが、物理はちんぷんかんぷんだという人なら、それでキログラムを原器なしで再定義できることだけ覚えておけばいいだろう。

　なお、これが新しい定義として採用されるには、今月13〜16日に開かれる国際度量衡総会で承認される必要がある。130年ぶりに歴史が塗り変わるだろうか。今、キログラムに注目だ。

References:RIP the Kilogram, Which Will Never Be the Same Again | Inverse/ written by hiroching / edited by parumo

追記：（2018/11/10）本文を一部訂正して再送します。
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