科學迷看過來》比黃金還貴重的國際公斤原器「大K」即將退役!「一公斤」的定義將改由「普朗克常數」計算

2018-11-15 10:10

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「公斤」是公制國家日常生活中每天都會用到的度量衡單位,但「1公斤」究竟有多重,又是如何測量得出,卻鮮少有人留意。逾百年來,全球都以1顆如高爾夫球般大小的鉑銥合金砝碼,作為通用的1公斤質量標準。但隨時間推移,這顆「鉑銥公斤原器」的本體受濕度、灰塵等因素影響,使質量出現細微變化,無法進行精確的測量。經過多年討論,國際度量衡大會將於16日投票表決,改以物理常數「普朗克常數」重新定義公斤的單位標準,公斤原器也將功成身退。

國際公斤原器「大K」比黃金還珍貴

在又被暱稱為「大K」(Grand K)的國際公斤原器(IPK)出現之前,法國曾以1公升水溫攝氏4度純水的質量,作為1公斤的標準單位。但是水的密度會因為溫度跟壓力、時間等出現變化,因此國際度量衡大會(CGPM)在1889年通過,將以90%鉑和10%銥打造而成、高度和直徑均為39.17公釐的鉑銥合金圓柱體,定義為1公斤的質量基本單位,並且沿用至今。

為了國際貿易等層面的標準化需求,全球各地的1公斤重量單位,也都是以國際公斤原器為準,各國必須向國際度量衡局(BIPM)購買複製品,並定期送回進行比對,以確保國內質量符合通用標準。台灣也於1995年購置編號第78號的公斤原器,存放於新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」內,並且每10年都會「回娘家」1次進行校正。

國際度量衡局局長米爾頓(Martin J.T. Milton)展示國際公斤原器的複製品。(AP)
國際度量衡局局長米爾頓(Martin J.T. Milton)展示國際公斤原器的複製品。(AP)

國際公斤原器本尊和6個原始複製品被嚴密存放在巴黎近郊賽弗爾(Sèvres)的國際度量衡局總部,放置在需要3副置於不同地點的鑰匙才能打開的保險箱裡,再以3層真空玻璃罩與外界隔絕,只有在各國原器複製品需要校準等極少數的時刻,才會將原件小心翼翼地取出。

公斤是目前僅存唯一以「實體物」定義的單位

在國際單位制(SI)的7個基本單位(時間、質量、長度、絕對溫度、電流、光度、物質量)中,公斤是目前僅存唯一以實體物定義的單位,其餘單位則在經由多次修正後,皆由自然現象所定義。例如,公尺在1960年以前,也是由一根「國際公尺原器」金屬棒表示長度,但現今則將1公尺長度定義為光在「1299,792,458之1秒內於真空中行進的距離」。

即使維安等級堪比稀世珍寶,國際公斤原器的質量仍會隨著灰塵、濕氣以及清潔時沾染的油污,出現非常細微、約1億分之5公斤(略等於1根睫毛)的重量變化。也就是說,理應維持質量不變的公斤原器,百年來的「體重」一直在悄悄變動中。儘管這樣的變化對日常生活並無太大影響,但在失之毫釐、差之千里的科學、工業等領域,公斤原器已不符需求,單位定義的變革勢在必行。

國際度量衡局局長米爾頓(Martin J.T. Milton)接受《美聯社》(AP)採訪時表示:「這是一個值得慶祝的時刻,自國際度量衡局於1875年設立以來,其餘的單位標準都已經過取代與修正,公斤是剩下的最後一個。」米爾頓認為,公斤可謂是「和平的偉大成果」,因為「在這個領域中,世界上所有國家都因同樣的目標聚集在一起。」

新的公斤定義?請以「普朗克常數」計算

由專家組成的國際度量衡委員會(CIPM)建議,將目前國際單位制中由科學家假設的數值去除,全部改由自然界的基礎常數定義,讓全世界測量系統更加精確與穩定可靠。根據此項建議,質量的定義標準修正後,將由物理常數「普朗克常數」(Planck constant,h)的計算取而代之。

「普朗克常數」是量子力學最重要的物理常數,界定能量與頻率的關係,由長度(公尺)、質量(公斤)與時間(秒)決定,既然公尺與秒都已經以光速來定義,因此從「普朗克常數」可以反推出「公斤」的定義。至於「普朗克常數」本身的值,則是由美國「國家標準與技術研究院」(NIST)以「基布爾秤」(Kibble balance)測量,目前的值是「6.626069934(89)×10−34 J⋅s」,精確度達10億分之13(13 ppb)。

除了質量 這些單位定義也要改

在未來,各國無需須再將公斤原器送回法國校正,科學家也有能力用數學計算出精確的公斤數,不用仰賴原器進行測量。米爾頓說,這樣的改變可以應用在計算、製藥、氣候變遷研究及其他需要精密測量的科學領域。根據科學法則,自然常數不會變動,「我們不需要再假設這個物體(公斤原器)是永恆不變的。」英國國家物理實驗室(NPL)的研究員羅賓森(Ian Robinson)表示,重新定義公斤對於全球測量領域甚至整個科學界都是一大邁進,也有助於未來的持續創新:「我們正在為往後的科學和工業奠定更穩固的基礎。」

第26屆國際度量衡大會(CGPM)近日於巴黎凡爾賽宮召開(Versailles),各國代表將於16日正式表決單位定義修正案,除了公斤之外,電流單位安培將以基本電荷(e)定義、溫度單位克耳文將以波玆曼常數(kB)定義、物量單位莫耳將以亞佛加厥常數(NA)定義。一旦通過修正,新定義於2019年5月20日「世界度量衡日」當天生效。

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