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1 SI 単位定義の改定案ー国際度量衡委員会改定案ー 国際度量衡委員 産総研副研究統括国際度量衡委員産総研副研究統括田中充

2 現在の SI 基本単位の定義

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5 λ(i 2 ) M Si h e

6 Kd Kcd c h NA Δν( 133 Cs)hfs e k

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8 Variations of about 5x10 8 (50 μg) in the mass of the standards over 100 years. R.Davis 氏より

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12 第 24 回国際度量衡総会 :2011 年 10 月 17 日 決議案一覧 A 今後考えられる国際単位系 (SI) 改訂について (11.1)* B 気候変動モニタリングのための測定を SI トレーサブルな基準に基づいて行うための国際協力の重要性について (11.2) C BIPM の負担金 (2013~2016 年 ) について (12.2) D 総会協力国 ( アソシエート ) の地位について (15.1) E 経済圏を総会アソシエートとして受け入れることについて (15.2) F1 カメルーン共和国の除名について (16.1) F2 ドミニカ共和国の除名について (16.2) F3 イラン イスラム共和国の除名について (16.3) F4 朝鮮民主主義人民共和国の除名について (16.4) G 国際度量衡委員会と分担金滞納のメートル条約加盟国の間で交わされた延滞金支払に関するスケジュール変更契約について (17) H BIPMの特権および免除に関する協定について (18) I メートル現示法の改定および新光周波数標準の開発について (19.1および19.3) J 共通の地球基準座標系の採択について (19.1および19.3)

13 Kd Kcd c h NA Δν( 133 Cs)hfs e k

14 c Kd Kcd h NA k Δν( 133 Cs)hfs e

15 11.1 今後の国際単位系 (SI) の変更 計量学の世界では 長年にわたり SI の多数の基本単位の再定義が活発に議論されている 最大の課題は 現在も唯一 人工物に基づく単位であるキログラムである 自然の普遍的な定数 ( すなわちプランク定数 ) に基づく再定義によって このキログラムにより安定したよりどころが与えられることになる キログラムの再定義に必要な実験結果について 実験に基づく合意が十分に得られた段階で 度量衡総会はキログラムならびに SI のその他多数の基本単位 特にケルビンの再定義に関する決定を下さなければならない 実際のところ 最近 ボルツマン定数によるケルビンの再定義が可能になるような実験測定値がいくつか得られている 今後考えられる国際単位系 (SI) 改訂について決議案 A 国際度量衡総会 (CGPM) は 第 24 回総会において 以下の状況を考慮し 国際単位系 (SI) の多数の単位の再定義の重要性 価値および潜在的メリットについて 国際的にコンセンサスが形成された 国際度量衡局 (BIPM) と国家計量標準機関 (NMI) は SI 基本単位を自然の不変量 ( 基礎物理定数または原子の特性 ) で表すことができるように 過去数十年間にわたって 計量学の境界を広げることを通じ 国際単位系 (SI) 推進に向け 当然のことながら多大な努力を払ってきた こうした努力が実を結んだ顕著な例として 現在の長さのSI 単位であるメートル (1983 年のCGPM 第 17 回会議 決議 1) の定義が挙げられる メートルの定義は 真空中における光の速さc ( すなわち メートル / 秒 ) という正確な数値に基づいている SI の 7 つの基本単位のうちキログラムだけが 未だに人工物である国際キログラム原器によって定義されている (1889 年の第 1 回 CGPM 1901 年の第 3 回 CGPM) また アンペア モル カンデラの定義はキログラムに基づいている

16 以下の通り SIを改訂するという国際度量衡委員会の意向を認識し 国際単位系 (SI) を以下のような単位系とする セシウム 133 原子の基底状態の超微細準位の周期 Δν( 133 C) Cs) hfs は 正確に ヘルツである 真空中の光の速さc は 正確に メートル / 秒である プランク定数 h は 正確に X ジュール秒である 電気素量 e は 正確に X クーロンである ボルツマン定数 k は 正確に X ジュール / ケルビンである アボガドロ定数 NA は 正確に X モルの逆数である 周波数 Hzの単色放射の発光効率 Kcd は 正確に 683 ルーメン / ワットである 上記において (i) ヘルツ (Hz) ジュール(J) クローム(C) ルーメン(lm) ワット(W) は Hz = s 1, J = m 2 kg s 2,C= sa,lm= cd m 2 m 2 = cd sr, andw= m 2 kg s 3 に基づき 秒 (s) メートル(m) キログラム(kg) アンペア(A) ケルビン(K) モル(mol) カンデラ (cd) の各単位と関連付けられている

17 (ii) 本決議案において記号 X は 最新のCODATA 調整に基づいて h e kおよび N A の数値に 1 または 2 以上の桁が加えられることを示す 従って SI は 今後も現在の 7 つの基本単位を持つことになる 特に キログラムは今後も質量の単位として使用されるが その大きさは SI 単位 m 2 kg s 1 で表したときのプランク定数の値を正確に X Jsと定めることによって設定される アンペアは今後も電流の単位として使用されるが その大きさは SI 単位 s Aで表したときの電気素量の値を正確に X (=C) と定めることによって設定される と ケルビンは今後も熱力学温度の単位として使用されるが その大きさは SI 単位 m 2 kg s 2 K 1 で表したときのボルツマン定数の値を正確に X (= J K 1 ) と定めることによって設定される モルは今後も 要素粒子 ( 原子 分子 イオン 電子その他の粒子またはそれらの粒子の特定の集合がありうる ) の物質量の単位として使用されるが その大きさは SI 単位 mol 1 で表したときのアボガドロ定数の値を正確に X (=mol 1 ) と定めることによって設定される

18 結果として SI 改訂の実施日において キログラムの国際原器の質量 (1889 年の第 1 回 CGPM 1901 年の第 3 回 CGPM) に基づき 1889 年から施行されているキログラムの定義は破棄される 国際委員会 (CIPM 1946 年決議 2) により提案された定義に基づき 1948 年 (1948 年の第 9 回 CGPM) から施行されているアンペアの定義は破棄される ジョセフソン効果と量子効果をそれぞれ用いたボルトとオームの表記の確立に関する総会の要求 (1987 年の第 18 回 CGPM 決議 6) により 国際委員会 (CIPM 1988 年勧告 1および2) により採択されたジョセフソン定数 K J 90 およびフォンクリッツィング定数 R K 90 の従来の値は破棄される 明確性の低いこれまでの定義 (1954 年の第 10 回 CGPM 決議 3) に基づき 1967/68 年 (1967/68 年の第 13 回 CGPM 決議 4) から施行されているケルビンの定義は破棄される 炭素 12のモル質量が正確に0.012 kg mol 1 であるとする定義に基づき 1971 年 (1971 年の第 14 回 CGPM 決議 3) から施行されたモルの定義は破棄される それぞれ 第 17 回 CGPM(1983 年決議 1) 第 13 回 CGPM(1967/68 年決議 1) 第 16 回 CGPM(1979 年決議 3) で採択されたメートル 秒 カンデラの現在の定義は破棄される

19 国際度量衡総会はさらに 同日 以下の定義が施行されることをここに表明する 国際キログラム原器の質量 m(k) は正確に1kgだが 再定義直前の hの推奨値に等しい相対的不確かさをもつ その値は 後日 値実験的に決定される 磁気定数 ( 真空の透磁率 )μ 0 は正確に4π 10 7 H m 1 となるが 微細構造定数 α の推奨値に等しい相対的不確かさを持つ その値は 後日 実験的に決定される 水の三重点の熱力学温度 T TPW は正確に Kだが 再定義直前の k の推奨値に等しい相対的不確かさをもつ その値は 後日 実験的に決定される 炭素 12のモル質量 M( 12 C) は正確に0.012 kg mol 1 だが 再定義直前の N A の推奨値に等しい相対的不確かさをもつ その値は 後日 実験的に決定される

20 国際度量衡総会は以下の事項を奨励する 国家計量標準機関の研究者 BIPMおよび学術機関が取組みを継続し 科学界全体 特に CODATA に対して 定数 h e k および N A の決定に関する活動結果を知らせること BIPMが維持する原器のトレーサビリティを国際キログラム原器と関連付ける作業 ならびに質量単位が再定義されたとき その普及を促進するために 常用参照標準を開発する作業を継続すること CODATAに対し 入手可能な全ての関連情報に基づいて 基礎物理定数の調整値を引き続き提供し 単位諮問委員会を通じて国際委員会にその結果を知らせるよう勧める これらのCODATAの値および不確かさを改定後のSIで使用するためである CIPMに対し 第 23 回総会決議 12の勧告事項 特にキログラム アンペア ケルビン モルの新定義のmise en pratique( 現示の方法 ) が満たされた段階で 直ちにSI 改訂の提案を行うよう促す CIPM 諮問委員会 BIPMおよび国家計量標準機関に対し SIの各種単位の再定義を目指してユーザーおよび一般市民に注意を促すことを目的とした意識向上キャンペーンを開始するための取組みを大幅に強化し こうした再定義が実務 技術 法務において持つ意味を考えるよう促す これは より幅広い科学界およびユーザーから意見や情報提供を募るためである

21 R.Davis 氏より

22 M.Glaeser 氏より

23 M.Glaeser 氏より

24 P.Becker 氏より

25 26 新井氏より

26 問題点 1. 基礎定数で定義? s と cd は基礎定数ではない 2. 定数定義 (Explicit it Constant) t) であり単位定義ではない 両論併記だった長さについても変更 分かり難い 3. 国際キログラム原器 (IPK) の定義 プランク定数 hの定義 ワットバランス アボガドロの技術の完成度は十分か? 再定義のタイミング? 4. 電流の定義が μ 0 からeになった 一旦 固定したものを再度調整値にしたことへの困惑は? ジョセフソン電圧標準 量子ホール抵抗技術の完成度 電子異常磁気能率測定 微細構造定数 α 5. 物質量はアボガドロ定数で? 炭素 12 のモル質量が正確に 12g で無くなった 6. 水の三重点からボルツマン定数水の三重点の不確かさが増加 L 氏 : メートル定義が分かり難い 他分野はもっと分かりづらい キログラムの再定義は IPKのモニターを十分にしてから 過去 標準電池をJVSで十分にモニターした経緯等 T 氏 : 水の三重点の不確かさが 0.1mK から 0.3mKに増える ボルツマン定数決定の実験が複数でてからにして欲しい E 氏 : キログラムの再定義はすべき 電気標準が協定値を使用することの不合理さ M 氏 : 実用上の問題と研究促進の問題 両面ある 炭素 12の問題はある

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