キログラムの再定義

パリ郊外セーヴルにある国際度量衡局の地下の金庫に、三重のガラスの鐘をかぶせられた金属の円柱がある。白金とイリジウムの合金で、高さも直径も39ミリ。1889年から130年間、この塊が世界の1キログラムだった。「国際キログラム原器」、関係者の間では愛称で「ル・グラン・K」と呼ばれる。

1キログラムに近い、ではない。定義そのものがこの塊だった。1キログラムとは国際キログラム原器の質量である、と定められていたからである。だから、塊がどう変わろうと、それは常にちょうど1キログラムだった。もし塊に埃が付いて重くなれば、理屈のうえでは、宇宙の他のすべての物が少しずつ軽くなったことになる。

原器が作られたとき、同じ材料、同じ形、同じ工程で、何本もの複製が作られた。複製はメートル条約に加わった各国に配られ、国際度量衡局にも公式の複製が何本か残された。原器はめったに金庫から出されなかったが、1889年、1946年、そして1989年から1991年にかけて、複製と比べる作業が行われた。結果は思わしくなかった。原器と複製の質量が、少しずつ離れていたのである。百年ほどで平均50マイクログラムほど。指紋一つの重さにも満たない差で、5000万分の1にあたる。

困ったのは、どちらがずれたのかが分からないことだった。原器が軽くなったのか、複製が重くなったのか。比べる相手が互いしかいないので、決めようがない。原因の候補としては、表面の汚れ、洗浄による摩耗、水銀などの吸着、金属内部の変化が挙げられたが、確定はしていない。

この小さなずれが問題だったのは、ほかの単位もこの塊に頼っていたからである。物質の量の単位モルは、定義にキログラムを含んでいた。電流の単位アンペアは、電線の間に働く力を通じてキログラムにつながっていた。光の強さの単位カンデラも、仕事率ワットを通じてそこにつながる。七つの基本単位のうち四つが、金庫の中の金属の塊にぶら下がっていたのである。

原理の問題もあった。メートル法を生んだフランス革命の人々は、「あらゆる時代に、あらゆる人々に」という標語を掲げた（メートル法の制定）。誰か一人の王の足の長さではなく、自然そのものから単位を取ろうとしたのである。長さの単位は地球の大きさから取り出された。ところが質量だけは、最後まで人の作った物に頼っていた。物である以上、火事や地震や戦争で失われうる。原器が壊れれば、複製から作り直すしかなく、それはもう同じ物ではない。

質量を自然の定数で定義し直すために、二つの方法が追いかけられた。一つは、イギリスの物理学者ブライアン・キッブルが1975年に考え出した天秤で、のちに彼の名で呼ばれる。電磁石の力と、物に働く重力を釣り合わせ、その電気の測定を二つの量子の効果に結びつける。電圧に関わるジョセフソン効果と、電気抵抗に関わる量子ホール効果である。どちらもプランク定数と電気素量で表されるので、質量をプランク定数で測ることができる。プランクの量子仮説でマックス・プランクが1900年に導入した小さな数が、ここで秤の目盛りになった。

もう一つは、原子を数える方法である。ほぼシリコン28だけからなる極めて純度の高いシリコンを用意し（濃縮はロシアの遠心分離施設で行われた）、単結晶にして、直径約93.7ミリの球に磨き上げる。真球からのずれは数十ナノメートルしかなく、人類が作った最も丸い物の一つと呼ばれた。地球の大きさに引き伸ばしても、山と谷の差が数メートルほどにしかならない丸さである。球の体積と、結晶の中の原子の間隔から原子の数を数え、アヴォガドロ定数を求め、それをプランク定数に換算する。

二つのまったく違う方法で得た値が、十分な精度で一致した。2017年、科学の基礎的な定数の値を決める国際委員会が、新しい定義に使う最終的な値を確定した。2018年11月16日、ヴェルサイユで開かれた第26回国際度量衡総会は、新しい定義を全会一致で可決した。会場には拍手が起きた。

新しい定義は2019年5月20日に施行された。1875年にメートル条約が署名された日と同じ日付で、ちょうど144年後にあたる。キログラムは、プランク定数の値を 6.62607015×10⁻³⁴ ジュール秒と定めることによって定義される。この数値はもう測る対象ではない。定義によって決めた値であり、誤差は無い。代わりに、それまで誤差の無かった原器の質量が、いまでは測る対象になった。ル・グラン・Kは、いまはおよそ1キログラムの、ただの金属の塊である。

同じ日、ほかの三つの単位も定数で定義し直された。アンペアは電気素量、ケルビンはボルツマン定数、モルはアヴォガドロ定数の値を固定することで定まる。秒はすでに1967年からセシウム原子の振動で、メートルは1983年から光の速さで、カンデラは1979年から光の効率で定義されていた。これで七つの基本単位すべてが、人の作った物から離れた。

日常の暮らしでは、何も変わらない。1キログラムは1キログラムのままで、台所の秤の目盛りも動かない。変わったのは、その1キログラムを何が支えているかである。もし文明が失われ、千年後に誰かがこの定義を読んだとしても、その人は金庫の塊を探す必要が無い。プランク定数を測る装置を作れば、キログラムはそこから出てくる。「あらゆる時代に、あらゆる人々に」。革命の時代に掲げられた約束は、二百年あまりかけて、ようやく質量にまで届いた。