キログラムに新たな定義が加わる

1 キログラムはどれくらいでしょうか? 1,000 グラム。2.20462 ポンド。または、旧帝国重力システムに基づくと 0.0685 スラグです。しかし、この量は実際にはどこから来たのでしょうか。また、誰もが同じ測定単位を使用していることをどのように確認できるのでしょうか。

1889 年以来、国際度量衡総会の加盟国は、キログラムを定義するためにパリ近郊に​​保管されている標準金属ブロックを使用することに合意してきました。しかし、現代の金属ブロックは高度に管理された環境で保管されていますが、摩耗による質量の減少や汚れによる質量の増加により、その重量はわずかに変化する可能性があります。この問題に対処するため、世界中の科学者はほぼ 20 年をかけて、自然の一定の測定値との関係でキログラムを定義する方法について議論してきました。そして今、ついに結論に達しました。

最初のキログラム（当初はグラーヴと呼ばれていた）は、1793 年にフランス科学アカデミーの委員会によって定義されました。この委員会は、従来使用されていた固定された穀物の量よりも優れた基準を求めていました。委員会は、新しい測定単位を 4℃（標準状態で水が最も密度が高くなる温度）の蒸留水 1 立方デシメートルの質量とすることを決定しました。これには、適切な設備を備えたほとんどの研究室でこの基準を再現できるという利点がありました。その後、この質量のプロトタイプが真鍮で鋳造されました。

残念ながら、この質量の定義は、別の変数測定単位であるメートルに依存していました。この時点では、メートルは北極から赤道までの距離の一部として暫定的に定義されただけでした。メートルの値と最も密度が高いときの水の温度がより正確に定義されると、キログラムも置き換えられる必要がありました。そして、この質量を表すためにプラチナで新しいプロトタイプが鋳造されました。

最終的に、これは現在使用されている国際キログラム原器 (IKP) に置き換えられました。これはプラチナとイリジウムの混合物から鋳造され、非常に硬く、酸素との反応を防止します。IPK とその 6 つのコピーは、測定の基準として、フランスのパリ近郊のサンクラウドにあるパビリオン ド ブルトゥイユにある国際度量衡局によって保管されています。IPK のコピーは世界中に輸送され、すべての参加国が同じ基準を使用するようにしています。

しかし、現代の国際度量衡でも、質量は徐々に変化する可能性があります。国際度量衡局の根本的な解決策は、キログラムの定義だけでなく、科学で使用される他のすべての基本測定単位（SI単位、フランス語で国際単位系を意味する）も見直すことです。

金庫に保管されているブロックに対してキログラムを測定する代わりに、自然定数の正確な値に基づいて定義することができます。定義の合意には長い時間がかかりました。なぜなら、これらの定数を 30 億分の 1 の不確実性 (つまり、測定値が 0.00000003 単位の精度である) で厳密な基準に従って測定する必要があったからです。

科学者たちは、実際にすでに時間と長さについてこのことを行っています。1 秒はもはや地球の公転時間の一部ではなく、地球の公転速度が速くなったり遅くなったりすると変化します。その代わりに、1 秒は、セシウム 133 の原子から放射として一定量のエネルギーが放出されるのにかかる時間で定義されます。具体的には、1 秒はセシウム 133 の超微細基底状態レベルの 9,192,631,770 回の遷移に相当します。これは、いつどこで測定しても同じです。

科学者たちはその後、秒と別の自然定数である真空中の光の速度 (c) との関係でメートルを再定義することができ、科学者たちはこれを毎秒 299,792,458 メートルと計算しました。つまり、1 メートルは現在、光が 1/c 秒で移動する長さです。

キログラムの新しい定義では、自然界の別の固定値であるプランク定数 (h) の測定値が使用され、6.62607015×10−34 ジュール秒と定義されます。プランク定数は、光の粒子または「光子」が運ぶエネルギー量をその電磁周波数で割ることで求められます。

この定数は通常ジュール秒で測定されますが、キログラム平方メートル/秒として表すこともできます。秒とメートルは他の定義からわかります。したがって、プランク定数の正確な知識とこれらの測定値を追加することで、キログラムの新しい非常に正確な定義を得ることができます。

その他のユニット

新しい定義の作成に長い時間がかかった理由の 1 つは、科学者がプランク定数を十分な精度で測定するために非常に精密な装置を作らなければならなかったためです。この方法はまた、キログラムと他の SI 基本単位、特に物質の量をその物質を構成する粒子の数で測定するモルとのつながりを断ち切ることになるため、議論を呼んでいます。その結果、一部の科学者は代替方法を提案しました。

しかし象徴的な投票の結果、キログラムの新しい定義は、残りのSI基本単位であるモル、ケルビン（温度）、アンペア（電流）、カンデラ（光度）の新しい定義とともに、国際度量衡局と世界中の国家計測機関によって使用されることになる。

大半の人々にとって、再定義にもかかわらず日常生活は普通に続くだろう。標準の砂糖袋 1 袋に含まれる砂糖の量は、これまでと同じである。しかし、ケルビンなどの変更は、非常に正確な測定を行う科学者にとって実用的な利点となるだろう。そして、「1 キログラムはどれくらいか」という質問に答えるために、プラチナの塊を比較したり、傷がつくことを心配する必要はなくなるだろう。

ケビン・ピンブレットはハル大学の物理学上級講師です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。