1889年から使われてきた国際キログラム原器。もうすぐ、その役目を終えようとしている。(写真:BIPM/AFP/アフロ)


 私たちは日常、米や人体や人工衛星や素粒子などあらゆる物の質量を測る際、単位としてキログラムを用いています。

 このキログラムの定義に、実は間もなく大改革が起きようとしています。

 1889年以来、130年近く使われてきた「国際キログラム原器」が、お役御免で廃止されようとしているのです。

 ここでは、国際キログラム原器とは何物か、そもそも私たちはどうしてキログラムを使っているのか、キログラムの基礎知識をおさらいし、来たる単位の大改革について解説しましょう。

 そして、来年発表される新しい単位系を予想しちゃいましょう。

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いまさら聞けないキログラム

 体重を知るにはどうするでしょうか。体重計に乗って目盛を読めばいいでしょう。

 体重計の目盛はどのように定められているでしょうか。言い換えると、測定器具の目盛の正しさはどのように保証されているでしょうか。

 体重計はどこかの体重計工場で作られますが、簡略化して説明すると、工場には質量1kgの重りがあって、その重りを乗せたときに1kgの値を示すように体重計の目盛は調整されています。

 この調整作業は「較正(こうせい)」と呼ばれ、これが測定器具の目盛の正しさを保証しています。(最近は「校正」と書くことが多いようです。)

 では、体重計工場の重りの質量が1kgであることは、どうやって保証されているのでしょうか。

 日本国内の重りと秤(はかり)は、その較正作業をたどっていくと、最終的には、産業技術総合研究所の計量標準総合センターに保管されている「国家キログラム原器」にたどり着きます。

 国家キログラム原器は1kgの質量を持つ分銅です。この国家キログラム原器は日本で作られる全ての秤、全ての重りの正しさを保証しています。

 そして世界各国の国家キログラム原器は全て、フランス・パリの国際度量衡局(こくさいどりょうこうきょく)という、東京特許許可局なみに発音の難しい国際機関にある「国際キログラム原器」と同じ質量を持つように作られているのです。

 2017年現在、「1kgは国際キログラム原器の質量」と定義されています。この国際キログラム原器は世界のあらゆる重り、秤、測定器具、測定行為の基準です。キログラムを単位として質量を測定する時は、国際キログラム原器と比べて何倍にあたるかを測定しているのです。極微の素粒子の質量も、ブラックホールの質量も、それどころか宇宙全体の質量も、この国際キログラム原器を基準に測るのです。

キログラムの誕生

 何でも測れる国際キログラム原器は、由緒も正しく由来も確かです。

 今を遡ること2世紀と少々、革命に揺れるフランスで、政治のみならず科学の分野でも、革新の機運が高まりました。

 科学測定の基礎となる単位も、アンシャン・レジームに基づくものではなく、グローバルで民主的な単位を制定することになりました。

 そうして作られたのがメートルという長さの単位とキログラムという質量の単位です。「地球の北極から赤道までの周の長さの1000万分の1」を1mとし、「0.001m3の水の質量」を1kgと定め、当時の技術の粋をこらして(初代)メートル原器と(初代)キログラム原器が製作されました。

 メートル法という単位系の誕生です。

キログラム、国際単位に昇格

 さて、この新しくて科学的で合理的なメートル法がたちまちフランス国内外に普及したかというとそうでもなくて、人々は不便でも使い慣れた古い単位系に執着し、決して手放さないことがじきに明らかになりました。フランス革命で誕生した民主主義はその後なんだか失速し、一時期恐怖政治や帝政に退行しますが、理想のメートル法も、後の政権下では採用されなかったり、憂き目を見ます。

 ただしヨーロッパの科学者は、3進法や12進法の混じる非合理的な伝統的単位系にうんざりしていたので、10進法を用いるメートル法を徐々に使いだしました。

 さて、それから100年経って経済のグローバル化が進み、国際的な通商のために国際的な単位系が必要になりました。取引するにも、一方がフィートで、もう一方が尺で測っていては、儲け話も進みません。各国が頭を寄せあって世界共通の単位を作る段になると、科学的で合理的なメートル法が採用されました。どの国の単位を採用しても不満が噴出するので、どの国でもあまり使われていない単位系を採用したという見方もできます。

 こうして1875年、国際メートル条約が結ばれ、「諸測定の世界統一を確保する」という目も眩むような高邁な使命を持つ国際度量衡局が組織されました。

1889年から1960年まで使われていたメートル原器。 Image by .


 国際度量衡局は、1889年に当時の先端テクノロジーをもって、国際メートル原器と国際キログラム原器を製作しました。条約加盟国には、そのコピーである国家メートル原器と国家キログラム原器が配られました。大日本帝国・明治政府も国際メートル条約に加盟し、原器を分けてもらいました。

 以来128年間、国際キログラム原器は質量測定の較正の基準であり続け、諸測定の世界統一のために現役で活躍してきたのです。(国際メートル原器は1960年に引退しました。)

単位のエリート「基本単位」

 国際度量衡局によって定められた国際単位系(SI)には、7個の基本単位が含まれます。あらゆる物理量は、この7個の基本単位の組み合わせによって測られます。単位の中でも特別なエリート単位です。

国際単位系(SI)の基本単位(2017年現在)


単位の定義は原器から基礎物理定数へ

 基本単位の表を見ると、ほとんどの単位の定義はなんだかえらく難解で抽象的です。おそらく一番分かりやすいのは「国際キログラム原器の質量」という1kgの定義でしょう。他の単位はもう珍紛漢紛といっていいんじゃないでしょうか。

 例えば、メートルは「1s(秒)の299792458分の1の時間に光が真空中を伝わる行程の長さ」と定められています。国際メートル原器はどこへ行ったのでしょうか。フランス革命のさなか、地球の周の長さを測って回った測量隊の汗と労苦の結晶は、どこへ消えたのでしょうか。

 国際メートル原器は測定技術の飛躍的な進歩によって役目を終え、1960年に引退しました。引退後、原器そのものは現在もパリの国際度量衡局に保管されています。

 メートル原器を用いる較正は0.01mm程度の精度しかありませんが、一方、例えば重力波アンテナ「LIGO(ライゴ)」に使われているレーザー干渉計を用いる距離測定は、原子核の大きさ10-15mほどの距離変化を検出できます。メートル原器を用いる較正が時代遅れであることは明らかでしょう。

 メートルの定義は2回変更され、現在の定義に落ち着きました。現在のメートルの定義は、メートルという単位を定めるとともに、光の速さを299792458m/s、すなわち秒速29万9792.458kmと決めています。言い換えると、光速を定義値としています。

 光速のような自然の物理定数を一つ定義値として定めると、単位は「その物理定数の△△倍」と定義することができ、単位の原器が一つ必要なくなるのです。

 このように物理定数を用いて単位を定義すると便利な点がいくつもあります。

 まず第一に、光速のような自然の物理定数は宇宙のどこで測っても同じです。もう宇宙のどこでも測定器具の較正ができます。将来、火星植民地やアンドロメダ貿易センターができても、そこにメートル原器を持参する必要がありません。適切な実験装置を組み立てて、光が1秒の299792458分の1に進む距離を測れば1mが分かるのです。

 第二に、原器の磨耗や化学変化や損傷を心配しなくてよくなります。これまでパリは何回も革命やナポレオン一家やプロイセン軍やヒトラーなどに襲われていますが、今後どんな動乱や自然災害があっても、光速は永遠に不滅です。

 第三に、将来測定技術がどれほど進歩しても、それに応じて定義を改訂する必要がありません。「測定精度が向上したので光速は299792458.458236118825m/sになりました」というような発表は今後ないのです。

 こういうわけで、基本単位は次々に物理定数を用いて再定義され、結果として表のような難解な定義の群れができあがったのです。

キログラム原器の引退が確定

 そうすると気になるのはキログラムです。キログラムは2017年現在、唯一原器に頼っている基本単位です。これを自然の物理定数を用いて再定義するべく、検討と測定が何十年も続けられてきました。

 そしてとうとう、2017年10月20日、新しいキログラムの定義に使われる物理定数の最新測定値が、国際科学会議という機関の科学技術データ委員会基礎定数作業部会(CODATA)によって発表されました。

 この発表された測定値を用いて、2018年11月にはいよいよ、国際度量衡局によってキログラムの再定義が決定される見通しです。

 またキログラムのついでに、基本単位のうちアンペア(A)、ケルビン(K)、モル(mol)の定義もまた改訂される予定です。

 129年間にわたって世界の質量測定を較正してきた国際キログラム原器の引退です。誠におつかれさまでした。ゆっくり保管庫でお休みください。

新しいキログラム

 新しい単位の定義に使われる予定の物理定数は以下のとおりです。これらは、2018年11月以降は測定値ではなく、定義値となる見込みです。

新たに定義値となる物理定数


 これらを用いると、単位の新しい定義はどのようなものになるでしょうか。発表に1年ほど先走って予想してみましょう。(これは筆者の予想で、実際にはこれと少々違う定義になるでしょう。)

国際単位系基本単位の新しい定義を予想する


 肝心のキログラムが少々実験しにくい定義になってしまいましたが、キッブル・バランス法もX線結晶密度法も贔屓しない定義にしてみました。みなさんの御意見、御指摘、御提案をお待ちしております。

筆者:小谷 太郎