質量の定義 〜1gを定める〜






普段の生活の中で当たり前のように使っている「質量」という概念。



今回は、そんな質量を表す単位である「グラム(g)」の定義について、あらためて考えてみたいと思います。





■ グラムの定義の変遷



国際的には、「グラム(g)」の定義というのはなく、その代わりに「キログラム(kg)」が定義されています。

(グラムはあくまでキログラムの1000分の1であると定められています)



それでは、キログラムはどのように定義されているのでしょうか。



今からさかのぼること200年以上も前…。



18世紀末に質量の世界的な基準を作ろうと動きがあり、そのときに1キログラムの定義は、「一辺が10cmの立方体の体積の最大密度における蒸留水の質量」であると定められました。



要するに、「一辺が10cmの立方体と同じ体積の水の質量」ということになりますが、ここで書いている「最大密度における蒸留水の質量」とは何でしょう。



実は、水はその温度によって、密度が変化することが分かっており、およそセ氏4℃のときに密度がもっとも高くなります。そのため、4℃の蒸留水を基準として使っているわけです。



■ 現在のキログラムの定義



現在のキログラムの定義は、1889年に国際度量衡総会(どりょうこうそうかい)で決められたものですが、このとき、それまでの水の質量を利用した考え方から、「国際キログラム原器の質量に等しい質量の単位」であるという内容に置き換えられました。



この国際キログラム原器とは、文字通りキログラムの基準として世界的に定められたものです。

白金90%とイリジウム10%から作られた、直径・高さともに約39 mmの合金製の円柱体で、現在はパリの郊外にある国際度量衡局の地下室で、気密容器の中に入れて大切に保管されています。



ちなみに、国際キログラム原器を元にして作成したいくつかの複製を世界各国に配布しており、日本でもそれを茨城県つくば市にある産業技術総合研究所にて保管しています。



この複製は「日本国キログラム原器」と呼ばれ、約30年ごとに国際度量衡局で保管している国際キログラム原器と比較することで、質量にズレが出ないようチェックしています。



■ 国際キログラム原器に代わる新標準の誕生



このように、国際キログラム原器によって現在の1kgの質量は定められています。



しかし、いくら大切に保管しているとはいえ、ほこりの付着や洗浄を繰り返すことによってその質量は少しずつ変化し、現在では当初よりもわずかに軽くなっていることが判明しました。



そのため、2011年に開かれた国際度量衡総会の中で、今のような人工物による基準ではなく、もっと普遍的で安定的な定義を作ることが決議されました。



今後、4〜8年をかけて議論を重ね、新たな定義が作られる予定となっていますが、候補としては「アボガドロ定数」や「プランク定数」といった物理定数を利用する案などが出ています。



前者は1kgに相当するケイ素(Si)原子の個数を正確に調べてそれを基準とする方法で、後者は質量と静止エネルギーとの関係性を利用してそのエネルギー量から1kgを決めるという方法です。



ただし、どちらの定数を使うにしても、その定数の精度が現在の国際キログラム原器の長期的な誤差を上回ることができるかが鍵となっています。



■ 日常生活への影響は?



質量の定義が新しくなることによって、私たちの生活にどのような影響があるのでしょうか。



正直なところ、ここまで精度の高いレベルで定義が代わるぐらいでは、その影響を直接身近に感じることはほとんど無いと言えるでしょう。



しかし、ミクロのレベルでの科学技術の発展を通じて、新たなナノ素材が開発されるなど、いずれはその恩恵を感じることができるかもしれません。



■ まとめ



質量を表す単位として使われている「グラム(g)」。



その歴史は18世紀末までさかのぼり、はじめは水を使って定義されていたものが、やがて合金製の「国際キログラム原器」へと変化し、さらに今後数年の間に新たな定義が誕生する予定となっています。



新たな定義はいったい何になるのか…。

そういう歴史的瞬間に立ち会えるかもしれないと思うと、なんだかワクワクしませんか?



(文/TERA)



■著書プロフィール



TERA。小さい頃から自然科学に関心があり、それが高じて科学館の展示の解説員を務めた経験も持つ。現在は、天文に関するアプリケーションの作成や、科学系を中心としたコラムを執筆している。