キログラムの再定義。メートル法の全面的見直しが完了

11月16日金曜日の朝、太陽王の黄金に輝くヴェルサイユ宮殿から目と鼻の先にある講堂に、科学者や外交官たちが詰めかけた。アメリカ人物理学者パトリック・アボットは、長い週末を過ごすためにフランスに飛び込んでいた。額を輝かせ、青いスーツジャケットを膝にかけ、アボットは満員のバルコニーから、60カ国から集まった外交官たちが、世界の貿易と技術を永遠に変えるであろう条約に全会一致で投票する様子を見守っていた。

この投票により、1983年以来初めてメートル法が再定義されました。この新システムは、物理的な物体を用いて基準を設定するという従来の方法を完全に覆すものです。従来のシステムでは、距離の基準を設定するために金属棒の刻み目などが用いられていました。投票まで、キログラムはフランスで鍵のかかったプラチナイリジウム製の円筒形容器に基づいていました。

科学者たちは現在、このシステムからすべての物理的な物体を排除しています。単位は代わりに自然界の基本定数に基づいています。例えば、メートルは光速に基づいて定義されています。つまり、光速を測定できれば、特別な物体を使わずにメートルの尺を作ることができるのです。この原理を用いれば、火星の宇宙飛行士は理論的には精密な巻尺をゼロから作ることができるでしょう。

これらの標準は、基本定数が時間とともに変化しないため、より高い安定性を提供します。例えば1960年代には、より正確な時間標準によってGPS技術が実現しました。GPS技術では、1日あたり10億分の1秒の精度で時刻を合わせる必要がありました。キログラム、モル、ケルビン、アンペアのより正確な標準によって、科学者たちはさらなる技術革新を期待しています。「これはフランス革命以来、計測における最大の革命です」と、ノーベル物理学賞受賞者のビル・フィリップス氏はステージ上から語りました。

おそらく最大の変化はキログラムの定義でしょう。キログラムは、パリ郊外の金庫に保管されていた国際キログラム原器（ル・グランK）という物理的な物体に基づく最後の単位でした。科学者たちは今後もル・グランKを監視し、研究しますが、かつてのような科学的意義はもはやありません。今や、それは多くの歴史を持つ単なる円筒形です。5月からは、キログラムはプランク定数（電波のエネルギーと周波数を関連付ける数値）に基づいて定義されるようになります。

アボット氏によると、このシステムはアップグレードの時期を迎えていたという。フランス製の円筒形は、時とともに重くなる傾向がある。それでも、彼はこの円筒形に愛着を持っている。「国際キログラム原器を不敬にも金属の塊と呼ぶ人がたくさんいます。21世紀にもなってまだ使っているなんてとんでもないと言う人もいるでしょう」とアボット氏は言う。「しかし、1世紀以上も素晴らしい仕事をしてきたという事実は変わりません。確かに、当初の価値から変化はありました。しかし、それが問題になったか？いいえ。私は、このことに関しては少し身構えてしまいます。」

当然のことだ。多少の感傷は許される。国立標準技術研究所（NIST）に勤務するアボット氏は、米国キログラム標準の指定管理者3名のうちの1人だ。同研究所は、メリーランド州の地下研究所に保管されているプラチナ・イリジウム製のシリンダー群を用いて標準を維持している。これらはすべてIPKのレプリカだ。米国で製造されるすべての体重計は、これらの分銅を基準とする何らかの方法で校正されなければならない。あなたの浴室の体重計は、別の分銅によって質量が確認された分銅で校正されている。そして、校正チェーンの最後の分銅は、アボット氏の研究所のベルジャーの中に収まっているのだ。

1ヶ月前、メリーランド州にある彼の研究所で、アボット氏は私に分銅を見せてくれた。彼はまるで飼い主がペットを世話するように、優しく分銅を扱った。彼が初めてキログラムのレプリカを手に取り、機械の中に入れたのは12年前のことだ。正式な手順では、柔らかいセーム革で覆われ、糸くずの出ない紙でコーティングされたトングで分銅を掴む。「とても怖かった」と彼は言う。「まるで『フェラーリに乗ってみたらどうだ？』と誰かに言われたような気分だった」。IPKのフランスにある本拠地研究所では、プラチナの価格にもよるが、キログラムのシリンダーを1本あたり約8万5000ドルで販売している。プラチナイリジウムは非常に硬い素材で傷がつきにくいが、「傷がつくと不安になる」と彼は言う。

アボット氏はまた、分銅の質量が時間経過とともに一定に保たれているかどうかを確認する必要がある。研究室では、彼は清潔さにほぼ強迫観念的な注意を払うようになり、同僚たちに手袋の交換を頻繁に促している。「手袋が汚れている状態で工具を手に取ると、手袋に付着しているものが工具に付着してしまいます。つまり、分銅に付着して質量が変化する可能性があるのです」と彼は言う。「自分の手がどこにあったか、何に触れたかを覚えておく必要があります。」彼の用心深さのおかげで、シリンダーは事故からほぼ安全に守られてきた。「ある時、分銅の一つを（機械の中で）かなり強く落としてしまい、倒れてしまいました」とアボット氏は言う。「心配しましたが、何も怪我はありませんでした。」

彼は重量をよく知っていて、お気に入りのものをいくつか持っている。K4とK79だ。番号は製造された順番を表している。「何年経ってもとても安定しているので、本当に気に入っています」と彼は言う。「質量を測っても、ほとんど変わっていないんです。」

K4とK20という別の円筒は、コレクションの中で最も歴史のある品々です。どちらも130年前に作られたプラチナイリジウム製の円筒で、ル・グランKのレプリカです。「これらは兄弟で、同じプラチナイリジウムの棒から切り出されたものです」とアボット氏は言います。定期的に、彼か同僚の誰かがこれらの円筒をフランスに手持ちで持ち込み、真の1キログラムに対する質量の変動がないか確認する必要があります。そこで彼らは、1回の旅行につき1本ずつ、フランスの研究所にある兄弟の円筒と再会させ、重量を比較します。

アボット氏は2011年に一度だけこの旅を経験したことがある。「まさに陰謀めいた作戦だ」と彼は言う。彼は1キログラムの重量をまるで貴重な手荷物のように扱った。トングを使って、特注のコンテナにそれを収めた。それは小さな蓋付きの台で、油を塗っていないネジがいくつか付いていて、いじるとキーキーと鳴る。それから気泡緩衝材で包み、カメラバッグに入れた。税関や運輸保安局（TSA）職員の汚れた手でコンテナを開けられないように、NIST所長は彼に1キログラムの重量を運ぶ任務について説明した公式書簡を送った。

飛行機の中では、アボットはずっと体重計を座席の横に置いていた。トイレにも持っていった。「体重を落としたことで有名になりたくなかったんです」とアボットは言う。

結局、シリンダーの旅はベルサイユでの会合で終わりを迎えました。

5月にキログラムの新しい定義が採用されても、アボット氏の日々の仕事に大きな変化はないだろう。彼は引き続き分銅の測定を続ける。分銅は依然として他の分銅を校正するための実用的な手段であり、重要な違いは、フランスまでわざわざ戻る必要がないことだ。分銅をトイレに行かせる必要もなくなる。その代わりに、アボット氏と同僚たちは「キブル天秤」と呼ばれる新しい機械を使って分銅の質量を計測する。

キブル天秤に重りを置くと、機械はプランク定数に比例した電流を発生させます。プランク定数を設定すると、キログラムの重量はキブル天秤の特定の電流量に対応します。この設計のメリットは、たとえ天秤が壊れても修理できるという点です。プラチナイリジウム製の円筒にへこみをつけてしまった場合、修理は不可能です。

キブル天秤の管理者たちは、今や質量基準の新たな管理者となった。そして、彼らはアボット氏と同じくらい執念深い。彼らは機械の様々な部品をインターネットに接続している。機械がデータを収集している間、NISTの物理学者ダリン・エル・ハッダッド氏は定期的に自宅からログインし、動作状況を確認している。

ハダッドのキブルバランスの同僚の多くは、前腕にプランク定数のタトゥーを入れているほどだ。一方、ハッダッドはヴェルサイユ宮殿に、わずか1週間前にヘナで描いたタトゥーを前腕に彫っただけで現れた。しかも、すぐに消えてしまう。「プランク定数には本当にこだわっています」とハッダッドは断言する。「ただ、まだタトゥーを入れる気はありません」

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