国際標準単位の由来、第 5 部: 議論の的となっているキログラム

今週、サム・キーンは、途方もなく正確な基準（メートル、秒、その他の国際標準単位）と、時代を超えてそれらの基準を定義、再定義、再再定義する上で要素が果たしてきた役割について考察します。

キログラムは計量学者にとって本当に厄介なものです。メートル法の 7 つの基本単位のうち 6 つには「操作上の」定義があります。つまり、正確に 1 メートルなどを生成する物理的なプロセスを記述することで、純粋に言葉だけで定義することができます。しかし、キログラムは、そのように定義しようとするすべての試みに抵抗してきました。

それは、誰もが知っていて共有しているが、うまく表現できない感情のようなものです。その代わりに、キログラムは、人間の人工物にまだ縛られている最後のメートル法の標準です。

その人工物とはキログラムです。パリにある、幅 2 インチ、プラチナ 90 パーセント、イリジウム 10 パーセントの円筒です。規定により、その質量はちょうど 1.000000… キログラムで、かなり大切に扱われています。キログラムは物理的な物体であるため損傷を受ける可能性があり、またキログラムの定義は一定であるべきであるため、それを管理する科学者は、それが決して傷つかないように、ほこりが付着しないように、原子が 1 つも失われないように (彼らはそう願っています!) 確認する必要があります。なぜなら、そのどれか 1 つでも失われると、その質量は 1.000000…1 キログラムに急上昇するか、0.999999…9 キログラムに急落する可能性があり、その可能性だけで計量学者は胃潰瘍を発症するからです。

そこで科学者たちは、恐怖症の母親のように、キログラムの温度と周囲の圧力を常に監視し、原子を剥がれ落ちさせる可能性のある微小な膨張と収縮を防いでいます。また、表面に湿気が凝縮してナノスケールの膜が残るのを防ぐために、3 つの連続した小さなベルジャーで包まれています。さらに、キログラムは高密度のプラチナとイリジウムで作られており、私たちが呼吸するような許容できないほど汚れた空気にさらされる表面積を最小限に抑えています。プラチナは電気をよく通すので、漂遊原子を撃ち殺す可能性のある「寄生」静電気 (科学者の言葉) の蓄積が減ります。

他の国には公式の 1.000000… kg シリンダーがあるので、何かを正確に測定するたびにパリまで飛ぶ必要はない。しかし、キログラムが唯一の標準であるため、各国の模造品を定期的にそれと比較する必要がある。米国は、メリーランド州郊外の政府庁舎に保管されている K20 (20 番目の公式コピー) と呼ばれる公式キログラムを 2000 年以降一度だけ較正しており、次の較正の時期が来ていると、NIST の質量および力チームのグループリーダーである Zeina Jabbour 氏は言う。しかし、較正には数か月かかるプロセスであり、2001 年以降のセキュリティ規制により、K20 をパリに飛行機で運ぶのは面倒な作業になっている。「飛行機に乗る間、キログラムを手持ちで運ばなければなりません」と Jabbour 氏は説明する。「金属の塊を持ってセキュリティと税関を通過するのは大変ですし、触ってはいけないと伝えるのもしんどいのです。」 「埃っぽい空港」でK20のカスタマイズされたスーツケースを開けただけでも、それが危険にさらされる可能性があると彼女は言う。「そして誰かがそれを触ろうとすれば、調整はそこで終わりです。」

通常、BIPM は、キログラムの公式コピー 6 個のうち 1 個 (ベルジャー 2 個のみに保管) を使用して模造品を較正します。ただし、公式コピーは独自の基準に照らして測定する必要があるため、数年に 1 回、科学者が保管庫からキログラムを取り出し (もちろん、汚れが残らないようにトングを使用し、ラテックス手袋を着用します。ただし、粉末状の手袋は使用しないでください。残留物が残るためです。また、長時間保持しないでください。人の体温で加熱され、すべてが台無しになる可能性があるためです)、較正器を較正します。

しかし驚くべきことに、科学者たちは1990年代の較正中に、人が触れるとこすれ落ちる原子を考慮しても、過去数十年間でキログラムは指紋と同程度の質量、つまり年間0.5マイクログラムを失っていたことに気づいた。その理由は誰も知らない。

キログラムを一定に保つことができなかったこの失敗により、キログラムの操作的定義への関心が再燃した。原子を数えるなどのいくつかの選択肢は、これまでのところ、あまりにも複雑すぎて成功しなかった。しかし、ここ数週間、ドイツの科学者は、純粋なシリコンの球体に含まれる原子の数を驚くほど高い割合で数え、さらに良い結果が得られると考えていると発表した。(チームは、レーザーを使用して球体の体積を非常に正確に測定し、個々の原子の体積を計算することでこれを達成した。) もう一つの有望なアイデアは、ワット天秤を使うことだ。これは、質量が 1,000... キログラムの物体を空中に浮かせるのに必要な電力を測定する。

どちらかの計画が成功すれば、キログラムはついに不滅となり、他の幻の測定基準の殿堂に加わることができる。パリのあの甘やかされた円筒に執着するすべての科学者の最も幸せな夢、つまりそれを時代遅れにするという夢が、ついに実現することになるだろう。

サム・キーンは、『The Disappearing Spoon』の著者です。これは、周期表全体に隠された面白くて奇妙な物語を集めたものです。