安田 正美 (2018) 単位は進化する

  • 安田 正美, 2018: 単位は進化する — 究極の精度をめざして (DOJIN選書 078)。京都: 化学同人, 222 pp. ISBN 978-4-7568-1678-5.

2018年11月、国際度量衡総会で、国際単位系(SI)の、キログラム、ケルビン、アンペア、モルの定義が変更された。その前後に(物理量の)単位に関する本がいくつも出た。全部読むことはできないうちで、SIに関するしろうと向けの解説書としては本書がよさそうに見えたので買ったのだが、読むのは2019年12月になってしまった。本書は2018年8月に出た本で、執筆の時点で定義の変更は決定されていなかったが案は出ていたので、たぶん変更されるだろうという見こみのかたちで書かれている。

本書の著者は、産業技術総合研究所(産総研)の計量標準総合センター 時間標準研究グループのグループ長で、時間の計測を研究し、とくに、いまSI単位の秒の定義につかわれているセシウム原子時計よりも精密な「光格子時計」を開発している。そちらの話題の解説書は2014年に ちくまプリマー新書 で出している。本書は時間にかぎらず、SI単位全体にわたる解説をねらったものだ。題名は、高田(1970)の本とよくにている。本の趣旨もにている。高田さんは当時、計量研究所の職員だった。計量研究所が再編成されて、いまは計量標準総合センターなのだ。

目次の最後に「執筆協力 桜井裕子」とある。この人について、まえがきやあとがきなどでは言及されていないので、どのようなはたらきをしたのかはわからない。もし、たとえばかつてのタイピストのように原稿のワープロ作業をしたのならばまさに「執筆協力」だが、もし文章の多くの部分を書いたのならば共著者としたほうが適切かという気もする。研究論文のばあいだと、文章を書いた人であっても研究自体にかかわっていないならば「著者」にふくめてよいか疑問になる。しかしそれは研究論文の状況が特殊なのであって、解説書のばあいは、専門外の人に向けて解説を書くのが職能の人は、内容の専門家と同等またはそれ以上に「著者」だろう。

今回の定義変更は、「物理定数の値を定数値とすることによって単位を定義する」という方向に大きく進んだものだ。すでに長さの単位のメートルは、時間の単位の秒を前提として、物理定数である「真空中の光の速さ」を定数値として定義されるようになっていた。今回、質量、電流、温度、物質量(いわゆるモル数)を、プランク定数、電気素量、ボルツマン定数、アヴォガドロ定数をそれぞれ定数値として定義するようになった。秒は、自然物であるセシウム原子の振動で定義されているが、物理定数による定義ではない。もし秒も物理定数で定義されれば、正確な定義の根拠づけとしては「自然単位系」になる。ただし、自然単位系をそのままつかうのではなく、換算定数をいれて従来のSI単位と(従来の精度でつかうかぎりは)互換にしている。

第3章から第7章までで、それぞれの物理量の単位の変遷が解説されている。

長さ。かつては長さの単位は各地域ばらばらだった。普遍的な単位への期待がたかまり、フランス革命後のフランスで、地球の大きさにもとづく「メートル」が制定された。ただし地球で定義するのは現実的でないので、「メートル原器」という ものさしのようなものを標準にした。1960年からクリプトン原子が出す光の波長にもとづく標準に変えられた。ただし、この標準をもたらすクリプトンランプという機器でよい精度を出すのには技巧が必要だった。同じころレーザー技術が開発され、こちらのほうが精度を高めやすかったので、1983年からレーザーを使って測定した光の速さにもとづくものに変えられた。

質量。メートル法がはじまった段階でのキログラムの概念は、立方メートルではかられる体積の水の質量にもとづいていた。水の密度は温度によってすこしかわるが、定義には最大密度の温度(4℃)がつかわれた。現実的な定義としては「キログラム原器」という物体の質量を標準とした。それが2018年に、「プランク定数を定数値とする」定義に変えられた。(プランク定数はメートル、キログラム、秒からくみたてられているので、メートルと秒がきまっていることを前提として、キログラムの定義にできる。) 標準を実現する方法は、ふたつのものが並行して開発されている。シリコン球の原子個数と質量からアボガドロ定数をきめることと、キッブルバランス (旧名 ワットバランス) という装置で重力と電磁力をつりあわせることだ。

時間。秒はもともと地球の自転による1日の(24×60×60)分の1として定義されていたが、地球の自転角速度には変動があることがわかった。定義は1956年、地球の公転周期(1年)にもとづくものに変えられた。それから1967年、セシウム原子の振動にもとづくものに変えられた。著者は、将来の改定で光格子時計が採用されることを期待している。

電気。アンペアの定義は、1mはなれた電流のあいだにはたらく力によっている。しかし実現方法はそのとおりではなく、電圧(起電力)と抵抗のそれぞれの数値が安定するものをえらんで標準としてきた。今回の改定で、電気素量を定数値とすることになった。(電流は単位時間あたりの電気量の動きである。)

温度。かつては、温度は物体(たとえば水銀)の体積に比例するとみなし、水の沸点・氷点をはじめとする複数の温度定点によって較正していた。それから、熱力学的温度で定義するようになり、水の三重点を定点( 273.16 K )とした。今回、ボルツマン定数を定数値とする定義に変えられた。

わたしは本書をチェックする態度で読んだわけではないが、記述がうまくないと思ったところがすこしあった。

  • キログラム原器については、1799年にフランスが制定したものを「アルシーヴ原器」とし、1899年に国際度量衡総会がきめたキログラム原器と区別している。メートル原器にも同様な2世代があるのだが、メートルの章では両者とも「メートル原器」と呼んでおり、この本をおもな知識源とすると両者を混同した認識が得られてしまう。(両者は精密さはちがうが個別の物体を標準にするという発想は同様だから、単位についての考えかたの発達を論じるうえではまとめてよいとも思うが。)

それから、キログラムの章で、「今日まで220年以上、水1リットルの質量を1キログラムとするという考え方が使われてきたわけです。」と言っている(79ページ)。著者は、キログラム原器が定義とされていた期間は水が基本であり、プランク定数から定義がみちびかれるようになって水が基本でなくなったと考えているらしい。しかし、わたしは、キログラム原器の時代に水の概念がいきのこっていたというのならば、プランク定数の時代にも水の概念がいきのこっているというべきだと思う。

わたしは Crease (クリース)の本を読んでいるときに気づいたのでその本の読書メモに書いたのだが、「この単位は なににもとづいているか」という問いは、正確な定義の根拠なのか、概念的な根拠なのかによって、答えがちがってくるのだ。(クリースの本についてのわたしの読書メモでは後者をさらにふたつにわけたがここではそれは省略する。) SI単位の改定は、正確な定義の根拠を変えたが、概念的な根拠は、メートルならば地球の大きさ、キログラムならば水のまま変わっていないというべきだと、わたしは思う。この点では、残念ながら、本書も、クリースの本も、議論がじゅうぶん整理されていないと思う。

文献

  • Robert P. Crease, 2011, paperback 2012: World in the Balance — The Historic Quest for an Absolute System of Measurement. New York: W.W. Norton. [読書メモ]
  • [同、日本語版] ロバート・P・クリース 著, 吉田 三知世 訳, 2014: 世界でもっとも正確な長さと重さの物語。日経BP社。
  • 高田 誠二, 1970: 単位の進化 (ブルーバックス)。講談社。
  • [同、文庫版] –, 2007: 単位の進化 (講談社学術文庫)。講談社。
  • 安田 正美, 2014: 1秒って誰が決めるの? — 日時計から光格子時計まで (ちくまプリマー新書)。筑摩書房。

折りかえしのあとにくわしい目次をつける。

== 目次 ==
まえがき
第1章 単位ってなんだろう — 世界を理解するための共通のものさし
– 1. 単位の誕生
– – 単位とは何か
– – ニーズに合わせて進化する単位
– – 正確さというニーズ
– 2. なぜ共通の単位が必要なのか
– – ツールは共通化に向かう
– – 単位の違いは誤解のもと
– – 共通化から高精度化へ
– 3. いろいろな単位系
– – 基本単位と組み立て単位
– – SI単位系以外の単位
– – SI単位への違和感
第2章 単位はどのように決められているか
– 1. 国際単位の始まり
– – 最初はメートルとキログラム
– – 科学技術の進展が定義を変える
– 2. なぜ単位は再定義されるのか
– – 単位の興亡
– – 年とともに重くなる? キログラム原器
– – SI単位の再定義
– [コラム 1] 単位をつくったら、使ってもらわなくてはならない
第3章 「長さ」は単位のトップランナー
– 1. メートルはどのように決められたのか
– – 進化のゴールにいちはやく到達
– – 長さの単位の起源
– – メートル法を定める国家プロジェクト
– – 主役となったメートル原器
– 2. ものに依存しない基準への進化
– – 原子標準の時代の始まり — クリプトンランプ
– – 基礎物理定数が定義に初登場 — ヘリウムネオンレーザー
– – 日本のレーザー装置開発秘話
– – どんな周波数でも測れる奇跡の装置 — 光周波数コム
– – 理論と現実世界をつなぐ努力
– – 溶け合う「長さ」と「時間」
– [コラム 2] 誤差を恐れた科学者
– [コラム 3] 「真の値」と「誤差」「不確かさ」
第4章 どっしり構えた単位の王様「質量」
– 1. キログラムの定義が130年ぶりに変わる
– – キログラム原器ができるまで
– – 時代遅れとなったキログラム原器
– – 質量の定義は、なぜ変わらなかった?
– – 定義の改定を求める外圧と内圧
– 2. 質量を測ることの歴史
– – 質量計測の最初のニーズ
– – 水を基準にする考え方
– – 質量の再定義に向けて
– 3. プランク定数の発見
– – プランク定数につながる分光学の登場
– – 新しい物理学の誕生
– – プランク定数とは何か
– 4. プランク定数を求める二つの国際プロジェクト
– – シリコンを使うX線結晶密度法
– – どのように計測するか
– – 電気とつなげたキッブルバランス法
– – 再定義に向けて
– [コラム 4] 測る装置を測る? — 干渉計
第5章 飛躍的に精度が向上している「時間」
– 1. 時間計測の歴史
– – 誤差の大きかった初期の時計
– – 「1分」「1秒」の誕生
– – 経度を知るために開発された時計
– – 1年に1秒しかズレない振り子時計
– – 機械から電気へ — クォーツ時計の誕生
– 2. 1秒の定義の変遷
– – 最初に定義された1秒
– – 時計を構成する要素
– – 振動の速さ = 周波数
– – 原子時計の誕生
– 3. 新たな時間の定義をめざして
– – 著しい精度の向上
– – 残された課題
– – 時計の開発は「時系」の維持のため
– [コラム 5] フランスの十進法時計
– [コラム 6] 世界には三つの時間がある — 天文時・原子時・協定時
第6章 単位の世界を支配する「電気」
– 1. 現代社会に不可欠の電気
– – 19世紀、電気の時代の幕が開いた
– – 通信技術の歴史
– – 電気通信の始まり
– – “測る” ニーズの誕生
– – 無線通信へ
– – 電灯の発明から、電流を測る技術の発明へ
– 2. 紆余曲折を経た電気の標準化
– – 原理原則と実用主義のはざまに
– – 電気の主役、アンペアの定義
– – 測る技術も電気が支配する
第7章 適切なコントロールが求められる「温度」
– 1. とらえどころのない温度を測る
– – 温度の可視化
– – セルシウス度とファーレンハイト度
– – ケルビン卿の「絶対零度」
– 2. ケルビンはどのように定義されているか
– – 水の三重点
– – 国際温度目盛の設定
– – 再定義を求める機運
– 3. 温度の精度向上の方向性を考える
– – ボルツマン定数と温度
– – 温度の特殊性
– – 逆転の発想から生まれた高温域の温度定点開発
– [コラム 7] 絶対零度は存在しない
第8章 高精度な単位は社会をどう変えるか
– – 土台が変われば、世界は活性化する
– – 光時計の先の時計と、時間計測技術の応用
– – 単位は科学と社会をつなぎ、ミクロとマクロをつなぐ
参考文献
あとがき

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