重さの定義が変わったよ! 日本が大きく貢献したキログラムの再定義

biology 2019/05/20
Credit:depositphotos

Point

■質量の定義は、1889年に造られた『国際キログラム原器』という分銅が根拠となっていた

■5月20日に「キログラム」は「プランク定数」という物理定数を使って、未来永劫変わらない新しい定義へ変更。日常生活には影響なし

■日本もこの再定義には大きく貢献しており、欧米諸国しか関われなかった国際単位の定義で、初めてのアジア参加国となった

本日5月20日は国際計量記念日。

国際的な単位の統一を目的に、1875年5月20日に成立した「メートル条約」締結を祝う記念日だ。

2019年、この歴史的節目の日に、世界の7つの基本単位の内、「キログラム」を含めた4つの単位が新しい定義へと変更になる。

新定義は2018年11月16日にフランス共和国・ベルサイユ国際会議場において第26回国際度量衡総会において採択されており、本日適用の運びとなる。これは日本では国際度量衡局より発表されている。

The International System of Units (SI)
https://www.bipm.org/en/measurement-units//

不安定な重さの定義 『国際キログラム原器』

中央の円筒形の分銅が国際キログラム原器 Credit:産総研

『キログラムは質量の単位であり、国際キログラム原器の質量に等しい』

これが今までの1キログラムの定義だ。

国際キログラム原器のオリジナルは、フランス・パリの「国際度量衡局」にある。

ナチス・ドイツでさえフランス侵攻の際、ここだけは立ち入らなかったと言われるくらい、国際的に重要性が認識されているものだ。

しかし、キログラム原器のオリジナルは製作時より50マイクログラム(1キログラムの1億分の5)ほど、重さが変わっている

これは同時に作られた原器の兄弟と比較して確認された事実だ。定義がこれでは非常にまずい。

しかし、新定義によって既にある1キログラムから重さが1%でも変更されることになってしまっては、世界に混乱が起きる。

食品はよく当社比5%増量などとやっているが、国際単位ではそうはいかない。

そのため、科学雑誌ネイチャーも、このキログラムの定義改定を、物理学で最も困難な取り組みベスト5に選んだほどだ。

改定されたキログラムの新定義

え? なんだって?

と言いたくなる意味不明な内容だが、これが改められた重さの新定義だ。

とりあえず重要なのは、この新定義の中に使われている「c」と「h」という2つの物理定数だ。

物理定数とは、この世界で測定した場合に、絶対に変化しない決まった数のことである。

絶対に変化しない数字なので、この定数を組み合わせれば、明確で普遍的な定義を作ることができるわけだ。

ただ、定数を定義に使うためには、定数自体を正確な値として定義しなければならない。

今回使われた定数の内「c」というのは光の速度のことだ。桜が落ちる速度は秒速5センチメートルらしいが、光の速度は秒速約30万キロメートルだ。

そして、もう一つの定数「h」。これが今回の定義において主役となった重要な物理定数で、プランク定数という。

重さの定義の新の主役 プランク定数

Credit:産総研

この機会に「プランク定数」という言葉をググってみた人は、「結局なんなのか、さっぱりわからなかった」という人が多いのではないだろうか。

無理も無い話で、この定数を見つけたマックス・プランクも、最初はよくわかっていなかった。

プランクは熱した物体が発する放射光のエネルギーを測定した際、実際測定した値と、計算で予測される値が一致しないことに悩んだ。

そして、とりあえずこの定数をかけて計算すると、実験の測定値が計算結果がうまく一致することを発見したのだ。

物理学では、こういう理由はわからないが計算結果にかけると、非常に実測値と辻褄が合う定数という物が出てくる。

プランク定数は計算の都合上出てきた数なのだ。

簡単に言ってしまえば、プランク定数は光子が一回振動する際に発するエネルギー量という意味になるのだが、計算上出てきた数なので、精密に値を測定することが難しかった。

そのため、今までは定義に使用できるものではなかったのだ。

今回の新定義において、何が難しくて時間がかかっていたかと言うと、このプランク定数を不確かさのない精度の高い定数として定義することだったのだ。

なので、今回のキログラムの新定義は、厳密にはプランク定数を定数として定義出来たので改定出来たと言えるのだ。

新定義には日本も大きく貢献!

1999年にNASAが国際基準のメートル法を使わずポンド・ヤード法で図面を描いてしまったせいで、100億円以上かけた火星探査機計画を駄目にしてしまったというニュースがあるが、単位が厳密に揃っていないと大きな問題につながる恐れがある。

NASAの例はそもそも基準にする単位系を誤ったという話だが、同じメートル法を使っていたとしても、ナノテクノロジーなど高精度を要求する分野では、厳密に単位が定義されていなければ、いずれこのニュースと同じような問題が発生する恐れがある。

今回のキログラムの定義改定は、そんな精密な現代科学に合わせて実施されたものだ。

この新定義のために、プランク定数の厳密な測定が行われたが、これには世界で計測された非常に精度の高い8つの計測データが使われている。その内、4つのデータに日本が大きく貢献している。

誇らしいお話だが、このキログラム再定義のプロジェクトに日本が参加するには、色々と苦労があったようだ。

ドイツは人類の崇高なミッションとして、アメリカは安全保障上の観点で当然とすぐ参加を決めたが、日本は短期的な利益を求めがちなため、産総研の科学者たちはプロジェクトの開始にあたり、まずなぜ定義の改定が必要か、経産省を説得するところから始めたそうだ。

技術力はあるのに日本、そういうところやぞ…。

しかし、これまで国際単位の場には欧米諸国しか参加することができず、国際単位の定義にアジアの国が名を刻んだのは日本が初めてだ。

科学における歴史的な瞬間に、これからも日本が関わっていく機会が増えていったらいいなあ。

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reference:産総研,nature/written by KAIN

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