これが物理学者がキログラムを完全に再定義した理由である

パリ郊外サンクルーの地下深く、3人の人間が3つの異なる鍵を使ってのみ開けることができる金庫室には、計測の世界にとって非常に重要な金属塊が眠っている。この金属塊は、洗浄と重量測定のとき以外は、厳重に管理された環境から出られない。

過去129年間、このプラチナとイリジウムでできた小さな円筒がキログラムの重さを定義してきました。国際キログラム原器（IPK）は、単に1キログラムの重さがあるわけではありません。それは1キログラムそのものなのです。その質量が増減すれば（そして過去1世紀においてはその両方がありました）、キログラムの定義も増減するのです。

IPKの重要性は計り知れず、その洗浄方法については16ページにわたるマニュアルまで用意されている。まず、エタノールとエーテルの混合液に48時間浸したセーム革で拭き、不純物を取り除く。次に、再蒸留水の蒸気を吹き付ける。残った水分はろ紙で拭き取るか、クリーンなガスで吹き飛ばし、IPKをひっくり返して再び洗浄する。

高さと直径がわずか39ミリメートルのIPKを洗浄するには、合計50分かかります。「これは世界の質量基準であり、軽々しく扱うべきではありません。本当に重要なものなのです」と、国立物理学研究所の研究員で、約40年にわたりキログラムの再定義に取り組んでいるイアン・ロビンソン氏は言います。

しかし今、IPKの支配はほぼ終わりを迎えようとしています。本日、6年ごとに開催される国際度量衡総会（メートル法改革を決定するために開催される会議）の代表者たちは、キログラムの定義としてIPKの使用を停止することを決議しました。この決定は2019年5月20日に発効し、その時点から、パリの金属塊はメートル法の基準設定において中心的な役割を果たさなくなります。

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では、IPKの何が問題なのでしょうか？ブラウン氏によると、問題は、定義を物理的な物体に結び付けることは、物理定数を用いるほど有用ではないということです。「結局のところ、キログラムのトレーサビリティは、この国際施設に保管されている単一の物質的遺物を通して得られるのです」と彼は言いますが、IPKの質量は実際には、汚れが付着したり洗浄されたりして質量が減少するため、100万分の1キログラム単位で変動します。会議の目的は、この定義を決して変わらないものへと転換することでした。

ほとんどの人にとって、キログラムのこの正確な定義によって小麦粉の計量方法や体重の測り方が変わることはないだろう。しかし、業界全体で正確な計測を推進する NPL などの組織にとって、キログラムの正確さは大きな問題である。

1875年に締結されたメートル条約（国際度量衡局（フランス語の頭文字でBIPM）を設立した条約）に加盟しているすべての国は、それぞれ独自の国際度量衡原器（IPK）のコピーを保有しています。これらのコピー原器は40年ごとに（通常は手作業で）パリに運ばれ、IPKと比較するために計量されます。前回の計量作業は2014年に行われ、今後の再定義の基礎を築くためのものでしたが、それ以前に行われた校正はわずか3回でした。

英国版は「キログラム18」と呼ばれ、南ロンドンのテディントンにある国立図書館本部の金庫に保管されている。「なかなか良い人生を送ってきました」とロビンソン氏は言う。彼はキログラムの再定義作業を主導しているにもかかわらず、キログラム18自体を扱うことはほとんどない。IPKと同様に、キログラム18（抽選で18番目に配布されたためこう呼ばれる）は、ろ過された空気で満たされた2つのベルジャーの中に保管されている。

NPLなどの国立計測研究所は、これらの複製品を使って計測基準を設定し、繊細な機器を正確に校正しています。しかし問題は、IPKと全く同じ質量のコピーは存在しないということです。キログラム18はIPKよりも約60マイクログラム重く、砂粒数個分に相当する重量超過です。しかも、IPK自体の質量は、空気中の汚染物質を吸収したり、洗浄中に合金の一部が失われたりするなど、変動します。

「質量の安定性を検証するのですが、どんな状況でも正確に1キログラムの質量を得ることはできません。どれもわずかにずれてしまうのです」とロビンソン氏は言う。「ですから、心配なのは、自分の質量がIPKと同じ差になるか、あるいはその差を予測できるかどうかです。」

これは、製薬業界など、マイクログラム単位の測定を日常的に扱う業界の基準設定において問題となります。メートル法による質量測定はすべてキログラムを基準としており、目標が約40年ごとに変化する中で、正確な測定を行うのは非常に困難です。だからこそ、ロビンソン氏と彼の同僚たちは、科学者がIPK（Independent Physics：分光計）を永久に捨て去ることができる装置の開発に取り組んできました。

約40年前、ロビンソン氏は同僚の故ブライアン・キブル氏とともに、キブル天秤と呼ばれる計器の開発に取り組み始めた。これは、足場とワイヤーが複雑に絡み合ったもので、遠くから見ると計器というより宇宙船のように見えるが、これは私たちにとって最も重要な計測単位の1つを再定義する計器である。

当初はワット天秤と呼ばれていましたが、2016年にブライアン・キブルが亡くなった後、キブル天秤と改名されました。この装置は、電流量を測定する単位であるアンペアの計算方法に関する難解な問題を解決することを目的としていました。1988年、ロビンソンとキブルは、2本の平行な電線からなる複雑な装置を使用せずに、キブル天秤を用いてアンペアの定義を確定できることを示す論文を発表しました。

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アンペアを解読したロビンソンとキブルは、同じ装置を使ってIPKを凌駕できることに気づいた。キログラムそのものを再定義できるかもしれないのだ。

仕組みはこうです。まず、電流を電線コイルに流すと磁場が発生することを知っておく必要があります。スピーカーの仕組みもまさにこれです。電気信号を使って電磁石のオン/オフを切り替え、スピーカーコーンを振動させます。キブルとロビンソンは、この磁力を物理的な質量と釣り合わせることができることに気づきました。これは、スピーカーコーンに質量を乗せて、それを動かすのに必要な電流量を測定するのと似ています。

二人は、いくつかの物理法則（その考案者に1985年のノーベル物理学賞をもたらした法則も含む）を巧みに利用することで、質量を電磁力で表すことが可能であることを発見しました。この情報を基に、二人はキブル天秤を用いてプランク定数を計算できることを突き止めました。プランク定数は量子物理学において重要な数値であり、光粒子一つが運ぶエネルギー量に関係しています。

キブルとロビンソンは、質量からプランク定数を計算できることを知っていたので、プランク定数から逆算して質量を導出できることも知っていました。そして、IPKとは異なり、プランク定数は時間とともに変動しません。

「そうすれば、物理学の好きな方程式を使ってプランク定数から質量を計算できます」とロビンソンは言う。「プランク定数の値がわかれば、ミリグラム、キログラム、原子質量など、何でも好きな値を求めることができます。」

しかし、キログラムは7つの基本単位の中で、物理的な長さから数学的な定数へと移行した最初の単位ではありません。かつて1メートルは、北極と赤道間の距離の1000万分の1と定義されていました。1983年、国際度量衡局（BIPM）は、光が真空中を1秒未満の時間で進む距離からメートルを導出することを決議しました。

ケルビンもアップグレードされます。現在は水が液体、固体、気体として存在できる温度の割合として定義されていますが、まもなくボルツマン定数（気体中の粒子のエネルギーに関連する数値）に基づいて定義される予定です。ケルビンは、アンペアやモルとともに、キログラムに加わり、基本定数に基づいて定義される最新のメートル法単位となります。

ブラウン氏によると、すべてが計画通りに進めば、来年キログラム単位の切り替えが行われても、科学界以外では誰も違いに気づかないだろうという。「変更を行う際に、実際には何も変わらないことが非常に重要です」と彼は言う。「より優れた、実質的に同じサイズのものに置き換えることを、絶対に確信していなければなりません。」

そのため、キログラム18はパリに戻り、プランク定数への移行に備えてIPKとの比較を行う最終計量セッションを行う予定です。その後は、キログラム原器ではなくキブル天秤から標準が導出されることになります。ブラウン氏は、これがキブル天秤の改良に取り組む全く新しい産業の創出につながることを期待しています。

40年近くにわたり、IPKに代わるデバイスの開発に取り組んできたロビンソン氏にとって、今日の投票は極めて長く複雑なプロセスの終結を意味した。結局のところ、世界で最も基本的な計量単位の一つを再定義するとなると、人々の動きは非常にゆっくりとしたものになる傾向があるのだ。

「1988年から1990年にかけて、私たちはキログラムを目指していました。ただ、それは非常に困難な仕事だったのです」とロビンソン氏は語る。しかし今、世界の計量機関がキブル天秤の理解を深める手助けをするという新たな任務に着手するにあたり、彼はメートル法で行われるあらゆる重量測定の裏側で、​​キログラム問題に対する彼の洗練された解決策が完璧に機能していることを確信している。

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。