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» 2019年01月19日 11時30分 公開

なぜ「キログラム」の定義は130年ぶりに変わったのか?

私の体重も変わらないかしら。(※変わりません)

[QuizKnock,ねとらぼ]

 2018年11月、質量の単位「キログラム」の定義が変更されました。

 といっても、われわれの生活に直結するような影響が出るわけではなく、体重計などはこれまで通りに使うことができます。

 では、誰が、何のために「キログラム」の定義を変更したのでしょうか。


変えた人:単位を統一する国際度量衡委員会

 そもそも「キログラムの定義を決めているのは誰か」という問題についてですが、その答えは国際度量衡委員会(CGPM)という国際組織です。

 国際度量衡委員会は、世界中の量を表す単位を統一するために「国際単位系(SI)」と呼ばれるものを決めており、以下の7つの単位を「SI基本単位」として定めています。



<SI基本単位>

  • 秒(時間)
  • メートル(長さ)
  • キログラム(質量)
  • アンペア(電流)
  • ケルビン(温度)
  • モル(物質量)
  • カンデラ(光度)

※2019年1月21日10:00 追記:記事初出時、光度の単位が「ケルビン」と誤って記載されておりました。正しくは「カンデラ」です。お詫びして訂正いたします。


変えた理由:より精密な測定を目指して

 そして、2018年11月の国際度量衡委員会において、「キログラム」など4つの基本単位の定義が大きく変えられることが決まりました。

 この変更理由を一言で表すと、「より精密に計測を行えるようにするため」です。


これまでの基準:国際キログラム原器(分銅)

 これまで、キログラムの基準となっていたのは「国際キログラム原器」というものでした。


国際キログラム原器のイメージ Photo by en:User:Greg L

 このキログラム原器は、19世紀末に作られた合金製の分銅です。それ以前の「水1リットルの質量を1キログラムとする」という定義をあらためてから、100年以上にわたり厳重に保管されてきました。しかし、年を経るごとにわずかに質量が変化しており、問題となっていました。

 基準の方が変化してしまうようでは、精密な質量測定に支障が出る可能性があります。ということで、次のような新しい定義がこのたび導入されました。


新しい基準:プランク定数

キログラムは、プランク定数の値を正確に6.62607015×10のマイナス34乗ジュール・秒(J s = kg m^2 s^-1)と定めることによって設定される


 ここで登場した「プランク定数」というのは、量子力学などで基本となる物理定数です。人工物のキログラム原器とは異なり、いつだろうがどこだろうが変化しない普遍的な値をとります(ちなみに、基本単位のうち最後まで人工物による定義が残っていたのがキログラムです)。

 「ジュール・秒」という組立単位を定義に使用しているため、ほかの基本単位(メートル、秒)の定義に影響されますが、それでもキログラム原器使用時に比べ不確かさの小さい定義であるとされています。


可能になったのは技術の進歩

 ところで、不確かさを小さくするにはプランク定数をかなり精密に測定しなければなりません。国際キログラム原器は、約100年で50μg(1kgの1億分の5)ほど変化するといわれており、新たな定義にはこれ以上の正確さ・安定性が必要でした。

 そこで、世界各国の研究機関は最新技術を駆使してプランク定数を測定しました。そして、2011年から2017年までに各国で測定された8つの値を元に、上に示した小数点以下8桁に及ぶプランク定数の定義値が決められました。

 これは1kgに対して10μg(1kgの1億分の1)という高い安定性を示したもので、この中には日本の産業技術総合研究所が測定したデータも含まれています。


おわりに

 今回の変更では、キログラムに加えて「アンペア(電流)」「ケルビン(温度)」「モル(物質量)」という計4つの基本単位の定義が改められました。

 キログラム以外は既に普遍的な定数による定義だったのですが、いずれもさらなる正確さを持つ定義へと変更されています。そして、これらの変更は測定技術の向上に支えられています。

 身近なように思える「キログラム」という単位。しかし、その定義には非常に多くの科学者・技術者たちの努力が関わっているのです。

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