1キログラムとはどれほどの量でしょうか。1,000グラム、2.20462ポンド、あるいは旧来のインペリアル重力系に基づく0.0685スラグです。しかし、この量は実際どこから来ているのでしょうか。また、誰もが同じ計量単位を使っていることをどのように確かめられるのでしょうか。
1889年以来、加盟国は 国際度量衡総会において、パリ近郊に保管されている標準的な金属の塊を用いてキログラムを定義することに合意してきました。しかし、現在の基準器は厳重に管理された環境で保管されているものの、摩耗によって質量がわずかに減少し、汚れによって増加するため、その重さはごくわずかに変化し得ます。この問題に対処するため、世界中の科学者たちは約20年近くにわたり、キログラムを自然界の一定の測定値に基づいて定義し直す方法について議論を重ねてきました。そしてついに、その結論が出されました。
最初のキログラム(当初は「グレーブ」と呼ばれていた)は、1793年にフランス学士院の委員会によって定義されました。委員会は、伝統的に用いられてきた穀物の固定量よりも優れた基準を求めていました。委員会は、新たな単位を標準状態において水が最も密度の高くなる温度(4℃)の蒸留水1立方デシメートルの質量とすることを決定しました。この方法の利点は、適切な設備を備えたほとんどの研究室でこの基準を再現できる点にありました。その後、この質量に相当する原器が真鍮で鋳造されました。
残念ながら、この質量の定義は、もう一つの変動する測定値であるメートルに依存していました。当時、メートルは北極から赤道までの距離の一部として暫定的に定義されていたにすぎませんでした。メートルの値と、水が最も密度が高くなる温度がより正確に定義されると、キログラムもまた置き換える必要が生じました。そして、この質量を表す新たな原器が白金で鋳造されました。
やがて、これは現在使用されている国際キログラム原器(IPK)に置き換えられました。IPKは白金とイリジウムの合金で鋳造されており、非常に硬く、酸素との反応を防ぐことができます。IPKと6つの複製は、フランス・パリ近郊のサン＝クルーにあるパヴィヨン・ド・ブルトゥイユにおいて国際度量衡局によって保管され、測定の基準として用いられています。IPKの複製は世界各地に輸送され、参加国すべてが同じ基準を使用できるようにしています。
しかし、現代のIPKでさえ、質量がわずかずつ変化することがあります。そこで国際度量衡局が出した答えは、抜本的な方法として、キログラムの定義を含め、科学で使用される他のすべての基本単位(国際単位系、フランス語で「システム・アンテルナシオナル」に由来し、SI単位として知られる)の定義を見直すことでした。
金庫に保管された基準器に照らしてキログラムを測定する代わりに、自然界の定数の正確な値に基づいてキログラムを定義できるようになりました。この定義について合意に至るまでに長い時間がかかったのは、これらの定数を厳密な基準で測定できる必要があったためです。その不確かさは10億分の30(つまり、測定値が単位の0.00000003まで正確であること)です。
科学者たちは、時間と長さについては実際にすでにこれを行っています。1秒はもはや、地球が自転する時間の一定割合ではありません。地球の回転は、地球の自転速度が速くなったり遅くなったりすることで変化し得ます。その代わりに、1秒は 現在では定義されており、セシウム133の原子から放射としてある一定量のエネルギーが放出されるまでの時間によって定められています。具体的には、1秒は次の値に等しいセシウム133の超微細基底状態準位における9,192,631,770回の遷移です。これは、いつ、どこで測定されても同じです。
その後、科学者たちは メートルを再定義することができました。これは、秒と、もう一つの自然定数である真空中の光速(c)に基づくものです。科学者たちは光速を毎秒299,792,458メートルと算出しています。したがって、現在の1メートルは、光が1/c秒で進む距離です。
キログラムの新たな定義では、自然界のもう一つの固定値から得られる測定値が用いられています。その値とは、プランク定数(h)であり、6.62607015×10−34ジュール秒と定義されます。プランク定数は、光の粒子、すなわち「光子」が運ぶエネルギー量を電磁波の周波数で割ることで求めることができます。
この定数は通常ジュール秒で測定されますが、毎秒キログラム平方メートルとして表すこともできます。秒とメートルの定義は、他の定義からすでに分かっています。したがって、これらの測定値に、プランク定数の正確な値を組み合わせることで、キログラムの新たな、非常に精密な定義を得ることができます。
その他の単位
新たな定義の策定にこれほど長い時間がかかった理由の一つは、科学者たちがプランク定数を十分な精度で測定するための 非常に精密な機器を開発しなければならなかったためです。また、この方法は論争を呼んできました。キログラムが他の基本SI単位、とりわけモルとの関係を失うことになるためです。モルは、物質の量を、それを構成する粒子の数によって表す単位です。その結果、一部の科学者は代替的な方法を提案しています。
しかし、象徴的な投票の結果を経て、キログラムの新たな定義は、国際度量衡局および世界各国の国家計量機関によって、残りの基本SI単位、すなわちモル、ケルビン(温度)、アンペア(電流)、カンデラ(光度)の新たな定義とともに用いられることになります。
ほとんどの人にとって、再定義にかかわらず日常生活は従来どおり続きます。標準的な砂糖1袋に含まれる砂糖の量も、これまでと変わりません。しかし、ケルビンなどの一部の変更により、非常に精密な測定を行う科学者にとって実用上の利点がもたらされます。そして、「1キログラムとはどれほどの量か」という問いに答えるにあたり、もはや白金の塊を比較したり、その表面に傷がつかないよう気を使ったりする必要はなくなります。
