它變,全世界都得跟著變!科學家的噩夢:世界通用的「1公斤」縮水了

什麼都不做就改變體重,大概是許多人的夢想,但如果體重上升的話,恐怕就變成噩夢。現在科學家也有個噩夢,那就是,1公斤可能不再是1000公克!

大K的傳說:只有3位科學家碰在一起 才能把大K拿出來

我們熟悉的「公斤」,其實在 100 多年前才被定義出來,原本的定義是攝氏 0 度時,1000 毫升的水等於 1 公斤,但是水的密度會隨溫度改變,純水也很難取得。1889 年,國際度量衡大會(CGPM)打造了一個鉑銥合金的圓柱體,稱為國際公斤原器(international prototype of kilogram,簡稱IPK),它的重量,從此就是世界通用的「 1 公斤」,也是世上唯一還在用實物當成標準的國際單位。

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我們都很依賴體重計,但它現在有麻煩了!(圖/Pen_Waggener@flickr)

和高爾夫球差不多大的公斤原器,被科學家暱稱為「大K」(Le Grand K/Big K),大K 有 40 個「同胞手足」,被送到世界各地給人們當成標準,每隔許多年會拿出來校準,為了排除所有會影響大K重量的因素,大K 被鎖在巴黎近郊國際度量衡總部的三層真空玻璃罩裡,只有分別握有鑰匙的三位科學家聚在一起,才能把大K拿出來。百年來大K 只跟手足聚首過 3 次,科學家幾乎不敢碰觸,連清潔也要利用蒸氣。

大K的煩惱:差一點,就差很大!

可是這樣重重保護下,大K 還是縮水了! 隨著科技日新月異,1992 年科學家不安地察覺——不知道是「手足們」變重,還是大K受損,幾經校對之後,大K的體重竟然減少了 50 微克!也就是說公斤原本等於 1000 公克,現在等於1000 公克減去 50 微克。

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嚴密保護下的大K(圖/維基百科

50 微克有多重呢?其實,大概就是一粒沙子的重量。只是一粒沙子的重量,為什麼科學家要這麼緊張?

原來,「公斤」代表著質量單位,和公斤相關的測量單位非常多,例如力學單位「牛頓」,它的定義就是「使質量 1 公斤的物體擁有 1 m/s2 加速度的力」。牛頓也拿來協助定義壓力單位「帕斯卡」。還不止這樣,能量單位「焦耳」的定義也跟牛頓有關,焦耳又被用來定義電力的單位「瓦特」,瓦特又是亮度單位「燭光」定義的一部份⋯⋯總而言之,如果讓質量單位隨著大K 一起縮水,這些測量單位統統會跟著改變!

這樣的巨變簡直就是蝴蝶效應,除了學術研究之外,醫學界、工程界⋯⋯講求精密測量的科學科技全都得跟著改變,那會是多可怕的災難?因此,一定要找個方法重新定義「公斤」,但又不會影響到現行的標準。

讓大K功成身退的方法:天平還是矽球?

從實物標準,轉化為不易改變的物理量標準,人類已經有了經驗,「公尺」的定義過去也是依照一條鉑銥合金棒子的長度,1983 年之後就改為「光在真空中前進 1/299,792,458 秒的距離」。看起來比較複雜,但才能確保這個標準不易變動。

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這就是曾經當作「公尺」標準的國際米原器。(圖/維基百科

面對大K 的問題,科學家已經找出兩個可能的解決之道,其中之一就是一顆同為 1 公斤的漂亮矽球。

這顆矽球由「矽 28」組成,矽 28 是矽的同位素中最穩定的一種,多虧半導體工業的高度發展,科學家已經有辦法製造純度非常高的矽球。但是,並不是要用矽球取代大K,而是計算球裡面的矽原子數量,就像計算口香糖機裡面有幾顆口香糖球一樣,一公斤的矽球裡面有幾個矽原子?算出來的答案,很可能就會成為新的「公斤」定義。

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如果數矽原子能像數口香糖一樣簡單就好囉。(圖/Pen_Waggener@flickr

數原子的方法屬於化學裡很重要的概念「亞弗加厥常數」,也就是「莫耳」。12 公克重的碳 12 裡,有著約 6.0221367x10^23 個碳原子,這個數量就是 1 莫耳,這個數值就是亞弗加厥常數。人類的技術無法測量 1 個碳原子或矽原子的重量,因此無論碳還是矽,其實都是估計值,只是矽 28 的結晶體近乎完美,每個原子所占空間幾乎相同,所以是目前測量出誤差值最小的方法。

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這顆矽球號稱是世界上最圓的物體!(圖/截取自Youtube

另外一派科學家,則希望可以使用「瓦特天平」來重新定義公斤,由於載有電流的線圈可以產生磁力,如果放上 1 公斤的珐碼,測量需要多少電功率才能與珐碼達到平衡,得到的能量數值也可以成為公斤的定義。

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利用電流能量抵消重力再算出能量,也可以是定義公斤的方法。(圖/截取自youtube

這個方法當然也有缺點,並不是每個地方的重力都一樣,而且瓦特天平可能受到震動、空氣浮力或電流外漏等影響,需要非常穩定的空間才能測量。所以現在國際度量衡大會仍然猶疑不定,還沒選出即將取代大K的方法。

你比較喜歡哪個方法呢?可以確定的是,幾年之內大K就要「退役」,不過憑它 100 多年來的功勞,恐怕還是逃不了被鎖在博物館罩子裡的命運!

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