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原器から物理定数へ―kgの新定義は超ハイテク

正確な1キログラムを実現する技術を持つのは日・米・独・カナダだけ

臼田孝 産業技術総合研究所 計量標準総合センター長

拡大キログラム原器と、プランク定数、そしてブランク定数の生みの親であるマックス・プランク
 皆さんは最近、「単位の定義が変わる」というニュースを目にしなかっただろうか?

 実は2018年11月16日、キログラムやアンペアなど、いくつかの単位の新定義がメートル条約加盟国総会である、国際度量衡総会で採択され、その新定義が2019年5月20日から実施されたのである。本稿では普段当たり前のように使っている単位の意味とそれを支える仕組みや今後の展望について紹介したい。

メートル法と国際単位系

 我々は日々いろいろなものを測っている。例えば体重が60キログラムだとしたら、これは1キログラムの60倍ということである。測った結果は数値×単位で表される、つまり単位の何倍に相当するかが測定結果である。

 単位は、世界中どこでも、そしていつの時代でも同じであることが必要である。現在、世界的に使われているメートルやキログラムという単位は、18世紀末のフランスで生まれた。それまでは都市や業種によりさまざまな単位が用いられたことから、誰もが共有できる、普遍性をもった単位を定めることにしたのである。

 最初に地球の大きさ(測量結果)をもとに長さの基準となる「メートル」を「赤道から北極までの長さの1千万分の1」として定めた。つぎに10センチメートル立方、すなわち1リットル分の水の重さを1キログラムとした。それまで人間の体(フィート=足)などを基準にしていたのに対し、地球の大きさや水の重さ(密度)という普遍性をもった自然物を基準としたのである。

 これは徐々に世界に浸透し、1875年に「メートル条約」と言う、単位統一を目的とした国際条約が結ばれた。日本は1885年(明治18年)に加盟している。この際、メートルとキログラムの基準を安定して維持するために、当時最先端の冶金工学などを駆使して、決して錆びず、摩耗にも強い金属(白金イリジウム合金)でメートルの基準(国際メートル原器)とキログラムの基準(国際キログラム原器)を作成し、パリに設立した国際度量衡局で管理することにした。もともと地球の大きさや水といった自然物の普遍性をよりどころと期したメートル法だったが、結局、金属製の原器と言う人工物を単位の定義にしたのである。

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 そして各国はそのコピーを国内用原器として持ち帰り、定期的に国際原器と比較してきた。日本でも筆者の所属する産業技術総合研究所の前身組織がその任にあたってきた。

 その後、時間の秒、電流のアンペア、温度のケルビン、など合計7つの単位が生まれた(右の表)。この7つの単位があれば、あらゆる測定結果を表現できる。ちなみにこのような単位の仕組みを国際単位系と呼んでいる。

キログラム原器にわずかな変動あり!

 さて、我々が重さを認識するのは、地球の引力によってである。質量の大きい物質ほど地球と引き合う力が強いので、我々は「重い」と感じる。引き合う力が弱い物質は「軽い」と感じる。

 例えば体重計は人間と地球との間にはさまって、双方が引き合う力を測っている。その体重計の目盛が正しいことを確認(校正と言う)するには、基準となる分銅が必要となる。結局質量を測るとは、基準となる分銅との比較に他ならない。そして、最初の基準となるのが国際キログラム原器なのである。正確な測定には、正確な基準が必要であることはご理解いただけるだろう。

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筆者

臼田孝

臼田孝(うすだ・たかし) 産業技術総合研究所 計量標準総合センター長

1987年東京工業大学総合理工学研究科修士課程修了。博士(工学)。1990年産業技術総合研究所の前身組織である計量研究所に入所、以後ドイツ物理工学研究所(PTB)、フランス国立科学研究センター(CNRS)、国際度量衡局(BIPM)の招へい研究員等を歴任。2017年より現職。 専門は計測工学。著書に『新しい1キログラムの測り方』(講談社)ほか