1キログラムの定義とは？原器から物理定数へ変わった単位と日本の貢献

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はじめに：5月20日は「世界計量記念日」

5月20日は「世界計量記念日（World Metrology Day）」です。1875年（明治8年）のこの日、フランスのパリで、メートル法を国際的に広めるための条約「メートル条約」が結ばれたことにちなんでいます。

「1メートル」「1キログラム」「1秒」。私たちは毎日、当たり前のようにこれらの単位を使っています。けれど、その「1」が、何を基準にどのように決められているのかを、考えたことはあるでしょうか。

実は、2019年（令和元年）の世界計量記念日に、キログラムなどの単位の定義が、約130年ぶりに大きく変わりました。この記事では、単位の歴史と、私たちの暮らしを支える「はかる」ことの大切さを、わかりやすくご紹介します。

第1章：なぜ「共通の単位」が必要なのか

昔は、国や地域ごとに、さまざまな単位が使われていました。日本でも、長さは「尺」や「寸」、重さは「貫」や「匁（もんめ）」、体積は「升」や「合」といった単位が使われていました。同じ名前の単位でも、地域や時代によって大きさが違うこともありました。

単位がばらばらだと、物の売り買いや、ものづくり、科学の研究で、大きな混乱が起こります。「1メートルの布」と言っても、国によって長さが違えば、取引は成り立ちません。世界中で同じ基準を使うことは、公正な取引や、安全なものづくり、正確な科学の土台なのです。

第2章：メートルの誕生

メートル法は、18世紀の終わり、フランス革命の時代に生まれました。「すべての時代に、すべての人々のために」という理念のもと、特定の国の王の体の大きさなどではなく、地球そのものを基準にした単位をつくろうとしたのです。

そこで、北極から赤道までの子午線の長さの1,000万分の1を、1メートルと決めました。科学者たちは、実際に何年もかけて子午線の長さを測量し、その結果をもとに、1メートルの長さを定めました。

第3章：メートル条約と「原器」の時代

1875年に結ばれたメートル条約をきっかけに、メートル法は世界に広がっていきました。1889年には、白金とイリジウムという、とても安定した金属を使って、長さの基準となる「国際メートル原器」と、重さの基準となる「国際キログラム原器」がつくられました。

国際キログラム原器は、高さと直径がおよそ4センチの円柱形の金属のかたまりで、フランスの国際度量衡局で、何重もの容器に入れて厳重に保管されてきました。世界中の「1キログラム」は、この一つのかたまりの重さを基準に決められていたのです。日本も1885年（明治18年）にメートル条約に加盟し、そのコピーである日本国キログラム原器を受け取りました。

第4章：「もの」を基準にすることの弱点

原器を基準にする方法には、大きな弱点がありました。どんなに大切に保管しても、ものは少しずつ変化してしまうことです。

実際、国際キログラム原器と、各国に配られたコピーの重さを比べたところ、100年ほどの間に、およそ50マイクログラム（1億分の5キログラム）ほどの差が生じていることがわかりました。ごくわずかな差ですが、最先端の科学や技術にとっては、無視できない大きさです。また、原器がもし傷ついたりなくなったりしたら、「1キログラム」そのものが失われてしまうという危うさもありました。

第5章：「自然の定数」を基準にする時代へ

そこで科学者たちは、ものではなく、宇宙のどこでも、いつでも変わらない「自然の定数（物理定数）」を使って、単位を定義しようと考えました。

長さのメートルは、すでに1983年に、光の速さを使った定義に変わっていました。今の1メートルは、光が真空中を2億9,979万2,458分の1秒の間に進む距離と定められています。そして2019年5月20日、キログラムをはじめ、電流のアンペア、温度のケルビン、物質の量のモルの四つの単位の定義が、物理定数にもとづくものに改められました。

第6章：新しい「1キログラム」の決め方

新しいキログラムは、「プランク定数」という、量子力学に登場する物理定数を使って定義されています。プランク定数の値を、ある決まった数値に固定することで、そこから「1キログラム」の大きさが決まる仕組みです。

少し難しく聞こえますが、大切なのは、原器という「もの」がなくても、世界中のどこでも、正しい手順で実験すれば、同じ1キログラムを再現できるようになったということです。約130年間、世界の重さを支えてきた国際キログラム原器は、その役目を終えました。

第7章：日本の研究が大きく貢献

新しいキログラムの定義を実現するためには、プランク定数などの値を、非常に高い精度で測る必要がありました。この測定で、日本の研究者たちが大きな役割を果たしました。

産業技術総合研究所（産総研）の研究チームは、純度をきわめて高めたシリコンの結晶で、ほぼ完全な球をつくり、その中に含まれる原子の数を数えるという方法で、物理定数を精密に測定しました。この結果は、新しい定義の値を決めるためのデータとして採用され、世界の単位づくりに貢献しました。

第8章：7つの基本単位

現在、世界で使われている単位の仕組みは「国際単位系（SI）」と呼ばれ、次の7つの基本単位をもとに組み立てられています。

私たちがふだん使う「ワット」「ボルト」「パスカル」などの単位も、この7つの基本単位を組み合わせてつくられています。

第9章：「1秒」の正確さと光格子時計

今の「1秒」は、セシウムという原子が出す特定の光（電磁波）の振動を数えることで決められています。セシウム原子時計は、数千万年に1秒ほどしかずれないといわれるほど正確です。

さらに、日本の研究者が考案した「光格子時計」は、それをはるかに上回る精度を持ち、宇宙の年齢ほどの時間がたっても1秒もずれないほどだといわれています。将来、「1秒」の定義を光格子時計などにもとづくものに見直すことも検討されています。これほど正確な時計を使うと、高さが数センチ違うだけで時間の進み方が変わるという、相対性理論の効果まで測ることができるそうです。

第10章：日本の単位の歴史――尺貫法からメートル法へ

日本では、明治時代にメートル条約に加盟したあとも、長い間、尺貫法とメートル法が並んで使われてきました。取引や証明に使う単位として、尺貫法の使用が原則として認められなくなったのは、1959年（昭和34年）のことです。

それでも、今も暮らしの中には、尺貫法の名残があります。お米の「1合」、お酒の「一升びん」、部屋の広さの「畳」や土地の「坪」、着物の「尺」などは、今でも身近な言葉です。

第11章：単位の取り違えが招いた事故

単位の大切さを物語る出来事として、1999年のアメリカの火星探査機の事故がよく知られています。探査機の軌道を計算するときに、あるチームはヤード・ポンド法の単位で、別のチームはメートル法の単位で計算していたため、数値の受け渡しで食い違いが生じました。その結果、探査機は予定よりも火星に近づきすぎて、失われてしまいました。

単位をそろえること、正しくはかることは、ほんの小さなことに見えて、大きな成果や安全を左右するのです。

第12章：暮らしを支える「はかる」仕組み

私たちの暮らしの中には、正しくはかることで成り立っているものがたくさんあります。

• 買い物：スーパーのはかり、ガソリンスタンドの給油メーター。
• 家の中：電気・ガス・水道のメーター。
• 健康：体温計、血圧計、病院の検査機器。
• 安全：トラックの重さの測定、建物の強度の検査。

日本では「計量法」という法律にもとづいて、取引や証明に使われるはかりやメーターが正しいかどうかを、定期的に検査する仕組みが整えられています。私たちが安心して買い物をしたり、料金を支払ったりできるのは、こうした見えない仕組みのおかげなのです。

第13章：家庭でできる「はかる」の工夫

家庭の中でも、はかることは暮らしを助けてくれます。料理の調味料を計量スプーンではかると、味が安定し、塩分の量もわかります。毎日同じ時間に体重や血圧をはかると、体調の変化に早く気づけます。

子どもと一緒に、身の回りのものの長さや重さをはかってみるのも、楽しい学びになります。「自分の一歩は何センチ？」「りんご1個は何グラム？」と、予想してからはかってみると、数や単位への興味が自然と育っていきます。

第14章：体の一部が単位だった時代

メートル法が生まれる前、世界の多くの単位は、人の体をもとにしていました。たとえば、イギリスなどで使われる「フィート」は足の長さ、「インチ」は親指の幅がもとになったといわれています。日本の「尺」も、もともとは手を広げたときの親指と人差し指の間の長さに由来するという説があります。

体を基準にした単位は、道具がなくてもすぐにはかれる便利さがありました。けれど、人によって体の大きさは違うため、正確さには限界がありました。今でも、アメリカではヤード・ポンド法が日常的に使われているなど、単位の文化は国によってさまざまです。海外旅行や輸入品を使うときには、単位の違いに気をつけたいですね。

第15章：「はかる仕事」に携わる人たち

正しくはかるための仕組みは、多くの専門家に支えられています。国の研究機関で単位の基準を守る研究者、はかりやメーターが正しいかを検査する自治体の計量検査所の職員、企業で計測機器の校正を行う技術者、そして国家資格である「計量士」などです。普段は目立たない仕事ですが、その正確さが、私たちの暮らしの安心と、ものづくりの品質を支えています。

よくある疑問（Q&A）

Q1. 定義が変わって、私たちの体重や買い物は変わりましたか？

いいえ。新しい定義は、これまでの1キログラムとできるだけ同じ大きさになるように決められているため、日常生活で使う重さが変わることはありません。変わったのは、「1キログラムをどうやって決めるか」という、基準の決め方です。

Q2. 日本の「計量記念日」は、5月20日ではないのですか？

日本には、別に「計量記念日」があり、11月1日とされています。これは、日本の計量法が施行された日にちなんだものです。5月20日の世界計量記念日とあわせて、はかることの大切さを考えるきっかけにしたいですね。

まとめ：当たり前の「1」を支える、見えない努力

1メートル、1キログラム、1秒。私たちが何気なく使っている単位の裏には、地球をはかり、原器を守り、自然の定数を精密に測定してきた、たくさんの人々の努力があります。

世界計量記念日は、そんな「はかる」ことの大切さに思いを寄せる日です。今日、何かをはかるときに、その「1」の重みを、少しだけ思い出してみてはいかがでしょうか。

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