パリの郊外には、気候制御された金庫室の地下八メートルに、143歳のプラチナ合金シリンダーが座っています。 わずか39mmの高さに立って、それは人間の手に触れたことがありません。 繊細なロシアの人形のように、シリンダーは三つの異なる人々によって保持された三つの鍵でのみアクセスすることができる部屋の三つのネストされたガ 同じ白金合金から鋳造された六つの”同一の”シリンダー：神秘的なオブジェクトを囲む”目撃者”です。

保存の努力はトリノのシュラウドのものに匹敵しますが、シリンダーは神聖な宗教的なオブジェクトではありません。 それは国際プロトタイプキログラム（IPK）であり、他のすべてが測定される唯一の真のキログラムである。 国際度量衡局（BIPM）の本拠地であるPavillon de Breteuilに収容されているIPKは、すぐにそのユニークな地位を失い、過ぎ去った時代の遺物になります。 その後、1960年まで世界の公式メートルとして機能した国際プロトタイプメートル（IPM）–またBIPMに収容された白金合金バー–と同じくらい趣のあるものになります。

16November2018世界中の60カ国からの計量学者や政策立案者がフランスのヴェルサイユで開催される度量衡総会（CGPM）に集まります。 この会議は4年に1度開催され、計測分野の予算や問題について議論されています。 しかし、この会議は特別なものになります。 加盟国は、1960年の創業以来、国際単位系（Système International、またはSI）に最も抜本的な変更を採用するかどうかについて投票されます。 これは、ケルビン、アンペア、モルの新しい定義が含まれる変更ですが、おそらく最も重要なのはキログラムです。

各加盟国は、オンラインでライブストリーミングされるプロセスで一票を投じます。 変更が批准されている場合（そしてすべての兆候はそれがあるということです）、イベントはオブジェクトに基づいた単位の終わりをマークします。 また、測定基準は何らかの形で自然の不変定数によって定義されるかもしれないと予測したJames Clerk Maxwellによって最初に表明された願いを最終的に果た

強固な基盤

1870年にリバプールで開催された英国科学振興協会の会合で、マクスウェルは代表者に、”もし…私たちが絶対的に永続的な長さ、時間、質量の基準を得たいのであれば、私たちの惑星の次元、運動、質量ではなく、波長、振動の周期、そしてこれらの不滅で不変で完全に類似した分子の絶対質量でそれらを求めなければならない”と語った。”

今月のBIPM会議で否定的な結果のヒントを見ていないインサイダーでは、SIを改革する決議は反対されず、”絶対的に永続的な”基準に対するマクスウェルの欲求が実現されると仮定することは安全である。 新しいSIは、1875年に同じ日に署名された最初の測定単位に関する国際条約（メートル条約）から正確に144年後の2019年5月20日に正式に発効する予定です。 しかし、なぜ単位が自然の定数に基づいていることが非常に重要なのですか？

ユニットは、少なくとも古代エジプト人の時代から社会の定番となっています。 彼らは、人間の体のさまざまな部分や環境内の物体を、物事を測定するための尺度として使用しました。 しかし、これらの基準は場所によって大きく異なる可能性があります。 17世紀と18世紀のヨーロッパの自然哲学者にとって、単位の変動性、特に長さと質量は、同じ物理現象が異なる場所で測定された場合、同じ物理現象の結

普遍的な尺度を作成するために様々な試みが行われ、1799年にフランスはメートルとキログラムの二つの単位に基づいてメートル法を導入しました。 アーカイブのメートルとアーカイブのキログラムとして知られているこれら二つのプラチナ工芸品は、合法的かつ実質的に単位を定義するために、パリのアーカイブNationalesに保管されていました。 これらの規格は、物理的に難しく、より優れた設計であったIPMとIPKに置き換えられるまで、90年間立っていました。P>

普遍的な思考

SI単位は科学に絡み合っています。 エネルギーを定義するジュールから触媒活性を測定するためのカタルまで、29の名前のSI単位はすべて、第二、メートル、キログラム、アンペア、ケルビン、モル、カンデラの7つの基本単位の組み合わせによって定義することができる。 しかし、20世紀に科学がより正確になるにつれて、新しい問題が頭を育てました。 普遍的ではない何か–オブジェクト、実験や現象–に基づいて任意のユニットは不安定になります。

第二を考えてみましょう。 それは歴史的に時間が60分であり、分が60秒である24時間を取ると定義されている地球の革命にリンクされています。 しかし、地球がこれまでのようにわずかではあるがやっているように、地球がよりゆっくりと自転し始めるならば、何が起こるでしょうか? 一日は長くなり、二日目は実際の言葉でも長くなることを意味します。 それは、30km/hを登録する車が実際には少し遅く移動することを意味し、30W電球は少し調光器になり、さらにばかげて、宇宙は異なる速度で拡大する しかし、秒の概念と持続時間が保たれているが、地球の自転が定義から取り除かれ、宇宙で測定されるときはいつでもどこでも変わらないものに置 これは1967年に行われ、セシウム-133原子の基底状態の二つの超微細レベルの間の遷移に対応する放射線の周期の9,192,631,770倍として再定義された（ヘレン-マルゴリスの”a brief history of time-keeping”を参照）。その後、1983年に、1/299,792,458秒の時間間隔の間に真空中で光が移動する経路の長さとして、メートルも再定義されました。 科学者が時間と距離を測定することができた絶妙な精度は、衛星ベースの測位システム、特にGPSにつながることによって、社会に利益をもたらしました。

planck to the rescue

143年間社会に奉仕してきたにもかかわらず、キログラムを単一のオブジェクトの観点から定義することは、本質的に不安定な概念 それは、IPKが軽くなったり重くなったりすると、たとえ少量であっても、キログラムで表される宇宙の質量も変化するからです–狂った命題です。 むしろ心配して、IPKは変化しています。 計量学者が1988年から1991年にそれを測定したとき、IPKは6人の目撃者よりも平均して約50μ g少ない質量を持っていました。 定義上、これは、おそらく空気分子を吸収することによって、目撃者が何らかの形で少量の質量を得たことを意味します。 しかし、キログラムの多くの国のコピーも質量を増しているように見えたことを考えると、IPKは質量を失っていた可能性が高い。 または多分それらはすべて異なった率で固まりを、ちょうど得たか、または失った。

計量学者は、最後の測定が行われた1991年から2014年まで、IPKと証人の間にそれ以上のドリフトを見ませんでした。 しかし、ドリフトがなかったという事実は、IPKの質量や目撃者が変わっていなかったことを意味するものではありませんでした。 彼らは単にタンデムで質量を失ったり獲得したりしている可能性があります。 そして、それが問題です：質量は常にIPKに対して較正されているので、伝える方法はありません。

“改訂されたSIでは、このようなことを心配する必要はありません”と、BIPMの質量部門の元責任者であり、現在は局のコンサルタントであるRichard Davis氏は説 新しいSIでは、金属の円柱の質量によって定義されるのではなく、キログラムは量子物理学の基本定数に基づいています: プランク定数

エネルギーは量子と呼ばれる小さなパケットで来るという考えを開発したマックス-プランクにちなんで名付けられたプランク定数hは、電磁放射の量子のエネルギーを有名な式E=hvによってその周波数に関連付ける。 プランク定数は、アインシュタインのE=mc2を介して質量にリンクされています。 現在、hは約6.62607×10–34m2kg s-1の測定値を持っていますが、計量学者はその値を石で固定し、キログラムはこの値で定義したいと考えています。したがって、物理的に不安定なオブジェクトであるIPKと、プランク定数の値の不確実性とは別のものになります。

したがって、それは物理的に不安定 「再定義後、揺るぎないプランク定数は値に固定され、不確実性はIPKの質量により適切にシャントされます」と米国国立標準技術研究所の計量学者、Stephan Schlamminger “そして、固定された板定数で、より良いデバイスは、より正確にキログラムを実現することができるようになります。”

ワットあなたは意味しますか

右足で始めるには、プランク定数が固定されている値が現在可能な限り正確に測定されることが重要です。 この責任は、2つの非常に異なるタイプの実験からの測定にかかっています。 これらの最初のものはKibble balanceと呼ばれ、以前はwatt balanceと呼ばれていましたが、2016で死亡した英国国立物理研究所の発明者Bryan Kibbleに敬意を表して改名されました。 現在、フランス、カナダ、米国だけが、プランク定数を修正するために必要な測定を行うことができるキブル天びんを持っています。 しかし、他の多くの人が自分の残高を構築することに取り組んでいます。 のようにこんにちはテックセットスケールのKibbleバランスを用電磁力によるコイル線に浸かって磁場をバランス、キログラムです。 この装置は、計量学者が電流と電圧の正確な値を取ることを可能にし、そこからプランク定数を導出することができる（下のボックスを参照）。H2>

それは何ですか？ キブル（またはワット）バランスは、バランスの片方の腕から吊り下げられた長さLのワイヤの円形の水平コイルで構成されています。 コイルは強い磁場Bに置かれ、電流Iがそれを通過して力F=BILを発生させ、それは天びんの同じアーム（mg）に置かれた質量の重量に等しくなるように調整 質量はm=BIL/gで与えられる。何が問題ですか？

私は正確に測定することができますが、BとLについて同じことをするのは難しいです。

解決策は何ですか？ 計量学者は、質量を除去し、磁場中で速度uでコイルを動かして電圧V=BLuを生成する。 このデバイスは、2つの式を並べ替えることによって、電力（VI）が機械的電力（mgu）によって平衡されるため、ワットバランスと呼ばれます。 換言すれば、m=VI/guである。 Uは測定が容易であり、g（重力による加速度）はよく知られているため、BとLの測定に関する問題は消えています。しかし、プランク定数、hとのリンクは何ですか？

しかし、プランク定数、hとのリンクは何ですか？

それは賢いビットです。 電流は、抵抗に電流を流し、その結果生じる電圧降下を測定するためにジョセフソン効果を使用することによって決定されます。 この効果は、二つの超伝導体が薄い絶縁体によって分離されている場合、各層の電子対が結合し、周波数fのマイクロ波放射がV=hf/2eの層を横切って電圧を生成するという事実を説明している。 抵抗器の抵抗は、超低温での2Dシステムの電子流が量子化され、導電率がe2/hの倍数で増加するため、測定することができます。

なぜこれが計測に適しているのでしょうか？

れまで、キブルバランスはSI単位でhを測定しました。 しかし、キログラムの定義が変更されると、hの数値は石に固定され、誰でもバランスを使って絶妙な精度で質量を測定することができます。hを測定する第二の方法は、X線結晶密度（XRCD）またはアボガドロ実験と呼ばれています。

hを測定する第二の方法は、X線結晶密度（XRCD）またはAvogadro実験と呼ばれ これは、ほぼ完全に丸い1kgの球に機械加工されたシリコン28原子の均一な結晶を含む。 光干渉法を使用して、計量学者は最初に球の全体的な直径、したがって体積を計算します。 次に、光干渉法とX線分析を組み合わせることにより、原子間の間隔、それぞれが占める体積、および球内の原子の総数を計算することができます。 最後に、球の重量を量ることによって、彼らはAvogadro定数を決定することができます。 このアプローチは、物質の1モルに存在する原子または分子の数を定義します–質量とはまったく異なる量で、モル自体を定義します。 アボガドロ定数とプランク定数を結びつける原子物理学からの方程式は、後者の正確な値を捕捉することを可能にする。

世界中の研究所は、これら二つの異なる技術を使用してプランク定数を特別な精度で測定し、6.626,070,150×10–34kg m2s-1の最終合意値を得ており、相対不確実性は10億部しかない（2018Metrologia55L13）。 アボガドロ定数については、6.022,140,76×1023mol–1に固定されます。 そして、プランク定数とアボガドロ定数が固定されると、それらが導出された複雑な実験は、キログラムとモルを測定するための基準として使用するこれがどのように機能するかを綴る最も簡単な方法は、キブルのバランスを考慮することです。

実用的な影響

これがどのように機能するかを綴る最も簡単な方法は、キブルのバランスを考慮することです。 これまでは、電流と電圧の正確な値を測定するために使用されてきましたが、それを方程式に接続してプランク定数を生成します。 将来的には、プランク定数は固定値になり、それらの同じ測定値は代わりに天秤に質量をもたらすでしょう。 言い換えれば、キブルバランスへのアクセス権を持つ誰もが完璧なキログラムを実現することができます。 同じ原理がアンペアとケルビンにも適用され、将来的にはそれぞれ電子の電荷eとボルツマン定数kによって与えられる。 これらの基本定数を正確に測定するように設計された機器は、アンペアとケルビンの単位を正確に実現するためにヘッドをオンにします（下のボッ Metre、second、candelaについては、その定義は微調整されますが、効果的に変更されません。