[論文レビュー] On new definitions of SI base units. Why is the "atomic" kilogram preferable

К. А. Бронников, В. Д. Иващук+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2014

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、アボガドロ定数や原子質量単位といった基本定数を固定することにより、キログラム、モル、アンペア、ケルビンのSI基本単位を再定義することを提唱している。アボガドロ定数と原子質量単位に基づく「原子キログラム」は、プランク定数に依存しない安定性・一貫性・独立性に優れることを主張している。この手法により、単位間で相互に独立した定義が可能となり、質量と物質量の関係が保持され、電気的および熱力学的測定のためのより強固な計量学的基盤が実現される。

ABSTRACT

We discuss the role of fundamental constants and measurement data for the Planck, Avogadro and Boltzmann constants and the elementary electric charge in connection with the planned transition to new definitions of four base SI units (the kilogram, mole, ampere and kelvin) in terms of fixed values of these constants. It is proposed to choose a new definition of any base SI unit in terms of a particular fundamental physical constant using a number of criteria, or principles, such as succession relative to the current SI, a sufficient stability of the new unit standards, and concordance between physical dimensions of the unit and the corresponding fundamental constant. It is argued that a redefinition of the kilogram and mole by fixing the values of the atomic mass unit and the Avogadro constant satisfies all these criteria and bears some more advantages against the version with fixed Planck constant: a well founded approach to definition of the ampere and the opportunity to preserve the current relationship between definitions of the mole and the kilogram. It is also argued that the kelvin can be redefined independently of the other three units.

研究の動機と目的

• 国際キログラム原器（IPK）の不安定性（年間約5×10⁻¹⁰ kgの漂移）を是正すること。
• 基本物理定数の固定値に基づくキログラム、モル、アンペア、ケルビンの代替定義を評価すること。
• 安定性、物理次元の整合性、他の単位への依存度の低さといった基準を用いて最適な定義選定の基準を確立すること。
• プランク定数に代えてアボガドロ定数と原子質量単位を固定することの利点を主張すること。
• アンペアとケルビンをそれぞれ電子電荷eとボルツマン定数kに基づき、キログラムやプランク定数に依存しない独立的かつ自己整合的な定義を可能とすること。

提案手法

• 炭素12原子の質量に基づく原子質量単位（ダルトン）の固定値を用いてキログラムを定義することを提言する。
• アボガドロ定数（N_A）をモルおよびキログラムの定義の基盤として固定することを推奨し、質量と物質量の間の一貫性を確保する。
• 単一電子トンネル効果標準を用いて、プランク定数に依存しない方法で電子電荷（e）を固定値として用いることで、アンペアを定義するフレームワークを導入する。
• ボルツマン定数（k）を固定値として用いることでケルビンを再定義することを推奨し、高精度測定に音響ガス温度計を主たる方法として採用する。
• 物理次元の整合性、長期的安定性、計量的トレーサビリティといった基準を適用して候補となる定義を評価する。
• NIST、NPL、PTB、NMIJ、INRiM、LNE-CNAM、NRCなどの複数機関による実験的検証と不確かさ予算分析を実施し、実現可能性と正確性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のキログラム定義（IPKに基づくもの）が現代の計量学において不適切なのはなぜか？
• RQ2 新しいSI基本単位を定義するための基本定数の選定に用いるべき基準は何か？
• RQ3 プランク定数を固定するのと比較して、アボガドロ定数と原子質量単位を固定することは、安定性および計量的有用性においてどのように優れているか？
• RQ4 電子電荷のみを用いて、キログラムやプランク定数に依存せずにアンペアを再定義することは可能か？
• RQ5 ボルツマン定数を固定することによりケルビンを再定義することは可能であり、その根拠となる実験的証拠は何か？

主な発見

• 原子質量単位とアボガドロ定数は、新しい定義に向けた安定的で物理的根拠に基づく基盤を提供し、すべての提案基準を満たしている。
• アボガドロ定数を固定することで、モルとキログラムの定義が一貫的かつ相互に独立した形で可能となり、プランク定数に依存せず、現在の関係性を保持できる。
• 単一電子トンネルデバイスを用いて電子電荷（e）を固定値として定義することで、アンペアをプランク定数に依存しない方法で再定義でき、より強固な量子基準が実現される。
• ボルツマン定数を固定値として用いることでケルビンを独立して再定義可能であり、2018年までに音響ガス温度計が不確かさレベルu_r(k) < 2×10⁻⁸を達成した。
• N_A、e、k、および原子質量単位の固定値に基づく新しいSI枠組みにより、4つの単位が完全に相互に独立しており、長期的安定性とトレーサビリティが向上する。
• 2018年の第26回CGPMで予定されている新しいSIへの移行は実現可能であり、NIST、PTB、NPL、その他の機関による実験的結果が、必要な正確性を裏付けている。