パリの南西にあるセーヴルの町には、開くのに3つの鍵が必要な金庫に閉じ込められており、1キログラムあります。 実際、それはキログラム、キログラムの国際プロトタイプ（IPK）、他のすべてのキログラムが対策を講じなければならないキログラム、 ルグランKです。 プラチナイリジウム合金のこのシリンダーは、温度と湿度が制御された環境で、安全な6つの公式コピーとセーヴルの地下室で、3つの保護ガラスベルの下にあります。
「それを落とすと、それはまだキログラムですが、全世界の質量は変わります」とメリーランド州ゲイサーズバーグにある国立標準技術研究所（NIST）の物理学者であるステファン・シュラミンガーは言います。
IPKは、ゴルフボールサイズのインゴット（1889年以来定義どおり正確に1キログラム）を使用して世界中の国々と共有されているコピーを調整するときに、40年ごとにボールトから出現します。 しかし問題がある。 IPKの保管庫には、6つのテモイン 、または「証人」、つまり公式コピーがあります。 ルグランKとその証人が測定された稀な機会によって証明されるように、長年にわたって、IPKの質量は「漂流」しました。
キログラムの国際プロトタイプ（IPK）。 （写真はBIPMの好意による） 現在、ほとんどの目撃者はIPKよりもわずかに軽い（マイクログラムまたは1グラムの100万分の1の重さ）（コピーの多くは最初はもっと大きかった）。 IPKは不変で揺るぎない1キログラムなので、IPKが質量を失っていると言うことはできません。 その上、物理学者は、IPKが長期的に質量を失っているのか質量を獲得しているのかさえ知らず、空気から凝集した、計量中にこすり落とされた、またはにじみ出たわずかな量の物質のためにゆっくりとドリフトしているだけです入念な入浴中のIPKの銀色の表面。
ご想像のとおり、このわずかなドリフトは科学者に多くの頭痛の種をもたらします。もちろん、製薬会社などの小さくて正確な質量測定に依存する業界は言うまでもありません。
「現時点では、キログラムは特定の物体の質量で定義されます」と、南ロンドンの国立物理研究所（NPL）のイアン・ロビンソンは言います。 「そして、そのものが破壊されたり、変更されたりしたとしても、それは厄介です。」
NISTのIPKのプラチナイリジウムコピーの1つであるK92は、背景にステンレス鋼のキログラムの塊があります。 （ジェニファー・ローレン・リー/ NIST） 幸いなことに、世界の計量学者には解決策があります。自然で普遍的な定数の観点からキログラムを再定義することです。 国際単位系（SI）の大部分の単位は、メーターなどの汎用定数に従って既に定義されています。メーターは、公式には真空中の光速で1 / 299, 792, 458秒で移動する長さです。 もちろん、この定義は、セシウム133原子の外側の電子を遷移させる （量子からスイッチする）特定の周波数の電磁放射（この場合はマイクロ波）の期間として定義される2番目に依存します。 「スピンアップ」から「スピンダウン」、またはその逆の測定）。
しかし、アーティファクトによって定義された最後の残りの単位であるキログラムは、今まで再定義に頑固に抵抗しました。 11月16日、第26回重量と測定に関する総会の会議で、60の加盟国の代表者がプランクの定数（光の波の周波数に関連する数値）に従ってキログラムを再定義するために投票するためにセーヴルに集まります。その波の光子のエネルギー。 そして、国際計量局（BIPM）の物理学者であるリチャード・デイビスによると、「彼らは大多数を期待している」。
（更新：2019年5月20日に、キログラム、アンペア、ケルビン、モルの新しい定義を含む国際単位系の変更が正式に発効しました。）
マックスプランクとアルバートアインシュタイン
1879年、IPKはロンドンの貴金属会社ジョンソン・マッセイによって鋳造され、20歳のマックス・プランクが熱力学の第二法則に関する彼の論文を擁護し、アルバート・アインシュタインが生まれました。 二人の科学者は彼らの人生の過程でそれを知りませんでしたが、重力と量子力学の基本的な物理学に関する彼らの共同研究はキログラムの21世紀の定義の基礎を築くようになるでしょう。
それでは、プランクの定数は何ですか？ 「基本的なレベルでは、言うのは難しいです」とデイビスは言います。
Planckの定数は、11月16日の会議で正式に定義されるように、正確には6.62607015 x 10 -34の非常に小さな数です。 1900年に、マックスプランクは、星のエネルギーと温度を電磁放射（総称して黒体放射として知られている）のスペクトルに合わせて、星からの光のモデルに適合する数を計算しました。 当時の実験データでは、エネルギーはどんな値でも自由に流れるのではなく、束または量子に含まれ、量子力学の名前が付けられたことが示唆され、プランクはこれらの束の値を計算して黒体放射モデルに適合させる必要がありました。
左から5人のノーベル賞受賞者：ウォルターネルスト、アルバートアインシュタイン、マックスプランク、ロバートミリカン、マックスフォンラウエが、1931年にフォンラウエ主催のディナーに集まりました。（パブリックドメイン） 5年後、アルバート・アインシュタインは特別な相対性理論を発表しました。これは有名な方程式E = mc 2として表現されるようになります（エネルギーは質量に光の速度の2乗を乗じたものです。宇宙の問題）。 彼はまた、現在は光子として知られている電磁エネルギーの単一の基本的な量子の理論値を計算し、プランク-アインシュタイン関係、E = h vをもたらしました。 方程式は、光子のエネルギー（E）がプランクの定数（h）に電磁波の周波数（ v、 「v」ではなくギリシャ語の記号nu ）を掛けたものに等しいことを示しています。
「光子のエネルギー、つまりh vを持っていることを知っていますが、質量のエネルギー、mc 2を持っていることも知っています。 [So]、E = h v = mc 2 。 NISTの物理学者であるDavid Newell氏は次のように述べています。h[Planckの定数]、 v [波の周波数]、c [光の速度]から質量を得る方法がわかります。
しかし、これがプランクの定数が現れる唯一の場所ではありません。 この数字は、太陽電池のベースとなる光電効果を説明するために必要です。 また、原子のニールスボーアのモデルで使用され、ハイゼンベルグの不確定性原理にも現れます。
「それは、Piについてはどうですか？」とデイビスは言います。 「Piとは？ まあ、それは円の円周を円の直径で割ったものです。 しかし、その後Piは数学のいたるところに現れます。 それはあちこちにあります。」
Planckの定数をキログラムに接続する鍵は、その単位、ジュール秒、またはJ・sです。 定数はこの一意の単位を取得します。エネルギーはジュールで測定され、周波数はヘルツ（Hz）または1秒あたりのサイクルで測定されるためです。 ジュールは、1キログラムに2乗したメートルを2乗して割った値（kg・m 2 / s 2 ）に等しいため、数回の巧妙な測定と計算で、キログラムに到達する場合があります。
しかし、標準質量の定義を変更するように世界を説得する前に、あなたの測定は科学史上最高の結果を得ることができます。 そしてニューウェルが言うように、「絶対的なものを測定するのは大変難しい」。
測定のための測定
多くの場合、1秒は1秒、または1メートルは1メートルであると当たり前です。 しかし、人類の歴史の大部分では、そのような時間、長さ、質量の尺度はかなりarbitrary意的であり、地元の習慣や支配者の気まぐれに従って定義されていました。 国家測定値を標準化する必要がある最初の法令の1つは、1215年のマグナカルタからのもので、次のように述べられています。
「私たちの王国全体にワインの尺度が1つ、エールの尺度が1つ、トウモロコシの尺度が1つ、つまり「ロンドン地区」があります。 布地の幅は、染色、ラッセット、ハルバーゲのいずれであっても、つまりセルベジ内の2つのエルです。 重みとメジャーの場合と同じにします。」
しかし、啓蒙に続いて、科学者が宇宙の物理的制約を解き始めたとき、測定基準の変化が種の進歩に対する大きな障害を示していることが明らかになりました。 科学者は18世紀と19世紀に地球全体に広がり、地球の正確な形状から太陽までの距離をすべて測定しました。また、ドイツのラクター （地域によって約2メートル）を英語と比較するたびにヤード（その存在の大部分も変化しました）、不確実性、誤解がたくさんありました。
最初のメートル標準のコピー。パリの36ルードヴォージラールにある建物の基礎に封印されています。 （Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0） フランスはついに革命を起こしました。政治だけでなく、手段も革命を起こしました。 18世紀が終わりに近づいたため、フランス王国には約25万個のさまざまなユニットがあったと推定され、それらすべてを追跡することは不可能になりました。 フランス科学アカデミーは、フランス革命の開始時に形成された国民憲法議会に促され、国の公式な尺度となる新しい長さの単位を確立しようとしました。北極から赤道までの距離。
フランスの数学者と天文学者のジャン・バプティスト・ジョセフ・ドランブルとピエール・メチェーンが率いる測量遠征は、新しいメーターを計算するために、ダンケルクからバルセロナまでのその長さの一部の距離を三角測量しました。 調査の測定は1798年に完了し、新しい標準が間もなくフランスで採用されました。
メーターは、リットル（1, 000立方センチメートル）とキログラム（1リットルの水の質量）を定義する基本的な測定単位を表すようになりました。 1875年までに、世界はメートル法を採用する準備が整いました。その年のメートル条約では、17か国の代表者がメートル法に署名し、国際計量局を作成し、新しい質量と長さの基準を規定しました。プラチナ-イリジウム合金で鋳造され、世界のメートルとキログラムを定義します。
しかし、プランクやアインシュタインなどの20世紀の科学者の波がニュートン物理学の構造を突くようになり始め、宇宙の広大さと原子の基本の中で新しい法則を発見したため、それに応じて測定システムを更新する必要がありました。 1960年までに、国際単位系（SI）が公開され、世界中の国が計量機関を設立して、7つの基本測定単位（メートル（長さ）、キログラム（質量）、秒（時間） ）、アンペア（電流）、ケルビン（温度）、モル（物質の量）、カンデラ（光度）。
純粋なシリコン28原子のアボガドロ球。 球の体積と単一のシリコン-28原子の体積を測定することにより、気象学者は球内の単一の原子の質量を測定することができ、アボガドロ数と呼ばれるモル内の原子数を計算する方法を提供しますプランクの定数を計算するために使用されます。 （写真はBIPMの好意による） これらの基本単位から、他のすべての単位を計算できます。 速度は1秒あたりのメートルで測定され、mphおよび他の速度に変換できます。 ボルトは電流のアンペアとオームの抵抗で測定されます。 ヤードの定義は、今では0.9144メートルに比例しています。
今日、18世紀のように、そのような測定値を改良する問題は科学的能力の最前線にあります。 キログラムの再定義があなたの日常生活を変えることはまずありませんが、より正確な測定システムを定義することの最終的な効果は、しばしば広範かつ深遠です。
たとえば、2番目を取り上げます。 1967年以来、秒の定義はマイクロ波レーザーの周波数に基づいており、この精度なしではGPS技術は不可能です。 各GPS衛星には原子時計が搭載されており、地球上を高速で周回するため、時間が無限に短いが測定可能に遅いという事実を修正するために不可欠です。これはアインシュタインの相対性理論によって予測される効果です。 新しい定義がなければ、これらのほんの一瞬を修正することはできませんでした。成長すると、GPSの測定値はどんどんドリフトし、GoogleマップからGPSガイド付き弾薬まですべてがSFになります。
2番目のGPSとGPSの関係は、計測と科学の基本的な絡み合いを明らかにします。研究を進めるには、新しい測定基準が必要であり、それを可能にします。 このサイクルが最終的に私たちの種をとる場所は不明ですが、メーターバーの死と1日のうちの数分の一で定義される2番目の放棄の後、1つのことは明らかです：IPKはギロチンの次です。
キブルバランス
米国国立標準技術研究所が運営するNIST-4キブル天びん。 初期のキブルバランスとは異なり、NIST-4はビームではなくプーリーのように動作するバランスホイールを使用します。 バランスは、プランクの定数を不確実性の範囲で13兆分の1に測定しました。 （ジェニファー・ローレン・リー/ NIST） 物理学者は何十年もの間、キログラムをプランクの定数で定義できることを知っていましたが、最近まで世界が新しい定義を受け入れるほどの精度で数を測定するのに十分なほど進歩していませんでした。 2005年までに、ニューウェルが「5人のギャング」と呼ぶNIST、NPL、BIPMの科学者グループがこの問題を押し上げ始めました。 その問題に関する彼らの論文は、 「キログラムの再定義：時が来た決定 」と題されています 。
「これは画期的な論文だと思います」とニューウェルは言います。 「非常に刺激的でした。人々を悩ませました。」
この論文で特定されたプランク定数を測定するための重要な技術の1つは、1975年にNPLでブライアンキブルによって概念化されたワットバランスです。
Kibbleバランスは、基本的なレベルでは、4, 000年以上前に遡る技術の進化であり、バランススケールです。 しかし、2つを比較するためにオブジェクトを他のオブジェクトと比較する代わりに、キブルバランスを使用すると、物理学者はオブジェクトを保持するのに必要な電磁力の量に対して質量を比較することができます。
「バランスは、強い磁場のコイルに電流を流すことで機能し、力を発生させます。その力を使用して、質量の重量のバランスをとることができます」と、ブライアン・キブルと協力したNPLのイアン・ロビンソンは言います。 1976年以降の最初のワットバランス。
天びんは2つのモードで動作します。 最初の計量モードまたは強制モードは、質量と等しい電磁力のバランスをとります。 2番目のモードである速度モードまたはキャリブレーションモードでは、モーターを使用して、質量が天秤に載っていない状態で磁石間でコイルを動かし、電気力の尺度として表される磁場の強度を与える電圧を生成します。 その結果、計量モードでの質量の力は、速度モードで生成された電気力に等しくなります。
電気力は、ノーベル賞を受賞した2人の物理学者、ブライアンジョセフソンとクラウスフォンクリツィングの研究のおかげで、プランクの定数の関数として計算できます。 1962年、ジョセフソンは電圧に関連する量子電気効果を説明し、フォンクリツィングは1980年に抵抗の量子効果を明らかにしました。2つの発見により、量子測定の観点からキブルバランスの電気力を計算できます（プランクの定数を使用） 、これは1キログラムの質量に相当します。
Kibbleバランスに加えて、「ギャングオブファイブ」ペーパーでは、プランクの定数を計算する別の方法に取り組んでいます。これは、人類がこれまでに作成した最も完全に丸いオブジェクトである実質的に純粋なシリコン28原子の球体を作成することによるものです。 球内の単一原子の体積と質量を測定できるため、計量学者と化学者はアボガドロ定数（エンティティの数は1モル）を調整でき、アボガドロの数から、既知の方程式を介してプランクを計算できます。
「これを行うには2つの方法が必要なので、1つの方法で隠れた問題がないという自信を得ることができます」とRobinson氏は言います。
NISTのホワイトボードは、キブルバランスが機械的測定（キログラムの質量の重量）を電気的測定（プランクの定数の関数として表される、キログラムを保持するために必要な電流の力）に等しくする方法を説明しています。 （ジェイ・ベネット） 2019年5月20日に実施される変更であるキログラムを再定義するために、重量と測定に関する一般会議では、プランク定数を計算するために少なくとも3回の実験が必要であり、不確実性は10億分の1以下であり、 20 ppmの不確実性の範囲内で値を計算する必要があります。 国際的なシリコン球の取り組みは、10億分の10の不確実性を達成するのに十分な精度になり、4つのキブルバランス測定も必要な不確実性の範囲内の値を生成しました。
そして、これらすべての手段の結果として、キログラムが変化しようとしている以上のものがあります。
新しい国際単位系
キログラムを再定義するだけでなく、重量と測定に関する総大会（CGPM）の第26回会議では、プランク定数の固定値を設定し、その結果、1960年の開始以来、国際単位系の最大の変換を制定しています。以前は、プランクの定数は絶え間なく測定され、世界中の他の測定値と平均され、数年ごとに新しい値のリストが研究機関に配信されました。
「この[投票]が合格すると、その値が定義されるため、誰もプランク定数を測定しません」とデイビスは言います。
Planck定数に加えて、Avogadro定数は固定値に設定され、基本電荷（ e 、1つのプロトンの電荷）および水の三重点（水が固体として存在できる温度） 、液体または気体、273.16ケルビン、または0.01℃と定義されます）。
プランク定数を絶対値として設定することで、科学者は従来の機械的測定から離れ、量子電気測定のスイートを採用して基本単位を定義しています。 定数が定義されると、原子レベルから宇宙までの質量の範囲を計算するために使用でき、IPKをより小さな測定可能な部分または巨大な質量まで縮小する必要がなくなります。
「アーティファクトがある場合、スケールを一点に固定するだけです」とシュラミンガーは言います。 「そして、基本定数はスケールを気にしません。」
Ian RobinsonとMark II Kibbleのバランス。 英国の国立物理研究所（NPL）によって建設されたMark IIは、後にカナダの国立研究評議会（NRC）に買収され、プランクの定数の不確実性を9パーパーパーカンドの範囲内で測定するために使用されました。 （NPLの好意による画像） Planckの定数の新しい値は、1948年のアンペアの定義など、電気ユニットの定義も変更します。 物理学者は長い間、ジョセフソン効果とフォンクリツィング効果を使用して電気値を正確に計算していましたが、これらの測定値は変数の1つであるプランク定数が固定値になるまでSIの一部にはなりません。
「SIボルトまたはSIオームを取得したい場合は、キログラムを通過しなければならなかったことを常におろしている。 私は電気ユニットを得るために機械ユニットを通過しなければなりませんでした」とニューウェルは言います。 「それは非常に19世紀のようでした。」
これで、キログラムを取得するために電気ユニットが使用されます。
「人々は話します。それはキログラムの再定義ですが、実際には重要な点を見逃していると思います」とシュラミンガーは言います。 「これらの電気ユニットをSIに戻します。」
すべての人々、すべての時間
世界中には6ダース以上のKibble天びんがあり、南米からアジアまで多くの国が独自に構築しています。科学者が1つを手に入れると、キログラムやその他の多くの基本単位と手段にアクセスするためのツールがあります自然。 キログラムはもはや保管場所に限定されることはありません。保管場所にはアクセスする特権がほとんどなく、誰もがそれに触れることを恐れて、半世紀に一度使用されません。
「今、私たちにできることは、質量を決定するモードを世界中に広めることです」とロビンソンは言います。
この変更が影響を与える科学者にとって、新しい国際単位系は歴史的な機会にほかなりません。
「私はまだこれがすべての夢であると心配しています。明日は目を覚ましますが、それは真実ではありません」とシュラミンガーは言います。 「これは、フランス革命の前に人々が考え始めた弧を完成させていると思います。アイデアは、すべての人々のすべての時間の測定値を持つことでした。」
メリーランド州ゲーサーズバーグにある国立標準技術研究所（NIST）のレゴモデルでキブルバランスを説明するステファンシュラミンガー。 （ジェイ・ベネット） 「これは私の人生のハイライトの1つです」と、マックスプランク研究所のクラウス・フォン・クリツィングは言います。マックス・プランク研究所の定数は、新しいSIの結果として固定値として固定されます。 "これは素晴らしい。 これらの量子ユニットが新しいSIユニットと統合されているため、これは素晴らしい状況です。」
宇宙を説明するための私たちの基本的な価値に対するこのような変化は、しばしば起こるものではなく、いつ再び起こるか想像することは困難です。 メーターは1960年に再定義され、その後1984年に再定義されました。
2つ目は1967年に再定義されました。「今では非常に革命的な変化でした」とデイビスは言います。 「永遠の人々は地球の自転によって時間を語っていましたが、突然セシウム原子の振動に変わりました。」
秒の再定義がキログラムの再定義よりも人間の理解に対するより根本的な変化であったかどうかは言うまでもありませんが、秒のように、再定義されたキログラムは間違いなく私たちの種の進歩における注目すべき瞬間です。
「最後のアーティファクトを取り除くこと…それが歴史的なことです」とデイビスは言います。 「誰もが知っているので、測定基準は実際、これらのアーティファクトに基づいています。 新石器時代の発掘調査では、チャートや岩などの小さな断片である標準（標準長、標準質量）が示されています。 そして、それが人々が何千年もの間それをやってきた方法であり、これが最後のものです。」
SIは再び変化しますが、主に、すでにわずかな不確実性を低減するか、または光の異なる波長または非常にわずかに正確な化学的尺度に切り替えることを主な目的としてです。 将来的には、まだ定義していないと思われる値のSIに単位を追加することもあります。 しかし、先祖の理解を捨て、新しい測定システムを採用するために、今やっていることを二度とすることはできません。
