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和百年公斤原器說再見!七大國際單位制將改頭換面

  • 編按:本文原文中敘述台灣公斤原器保存地點有誤,現在所使用的公斤原器保存於新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」,特此更正,感謝讀者指正。

2018 年秋季起,一公斤將可能不再是我們熟知的一公斤,一公尺也不再是一公尺,這並不是在暗示你的身高體重又隨著年歲的變化,而是我們的七大國際單位制又有機會更新啦!這對整個科學界來說,可能是比諾貝爾獎更激動的大事件啊!

科學界即將在 2018 年更新測量單位,但放心,你的身高體重或腰圍都不會突然改變。圖片來源:Maxpixel

科學界即將在 2018 年更新測量單位,但放心,你的身高體重或腰圍都不會突然改變。圖片來源:Maxpixel

雖然 iPhone 幾乎每年推出新版本,微軟也在三十多年之間從 windows 1 一路更新到了 windows 10,不過軟硬體規格不合,勉強能靠著轉接頭、發布更新檔湊合著用,但度量衡這種涉及全球各行各業的標準,不能說改就能改的,每次要更新都得從長計議。

原本科學家將質量、長度、時間、電流、溫度、物質量、發光強度,這七個物理現象的單位定義為「公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)和燭光(cd)」而根據國際度量衡委員會(CIPM)提出一份新草案,將除去國際單位制中科學家所假設的數值,全部改由自然界的基礎常數來訂定,一但通過後,期盼讓整個世界的測量系統都將變得更加精確。

有關全球各種單位與國際單位制的演變由來,可以參考泛科學的《科學大爆炸》:

我們原本用的單位從哪裡來?

國際單位制(法文 Système International d’Unités,簡稱 SI)可說是全世界測量系統的基礎,此制度最早源自於 1799 年法國大革命時期科學家所發展的「公制」,經過 1960 年第十一屆國際度量衡大會修改調整後,推薦給全球使用,再經過一次次更新,成為我們現在的國際單位制。

目前七大國際單位制當中,有六個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有一個單位可以用實際物體來表示,那就是「公斤」。(不過在 1960 年以前,公尺也有一根實體棍子來代表喔!)

一公斤到底是什麼呢?一般人可能會直覺回答:「1000 公克?」,但實際上能堂堂正正喊出「我就是童叟無欺的一公斤」的最高權威,是一塊放在法國巴黎近郊的國際標準局(BIPM)保險箱的標準砝碼「國際公斤原器(International Prototype of the Kilogram,簡稱 IPK)」。

IPK 是由 90% 鉑(platinum)及 10% 銥(iridium)打造,大小大概如高爾夫球的鉑合金直立圓柱體,平時放在真空封存的三層玻璃罩內。全球還有許多 IPK 的複製品,作為各國自己校正單位的標準,例如台灣在 1995 年向 BIPM 購買的編號第 78 號「鉑銥公斤原器」,保存於在新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」中,每十年送回 BIPM 追溯一次。還有另一件可以提到的原器複製品是自日治時期留下,現在收藏在高雄科學工藝博物館

國際公斤原器的電腦示意圖。圖/由en:User:Greg L - Originally uploaded to English Wikipedia as CGKilogram.jpg,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2547913

國際公斤原器的電腦示意圖。圖/Greg L, CC by 3.0, wikimedia commons.

雖然巴黎的 IPK 號稱是正港的一公斤。但即使選用不易膨脹和氧化的材質,收藏環境也受嚴密監控,IPK 還是個會隨著時間逐漸發生變化的「凡物」,包含灰塵、濕氣或觸摸時的油汙都會影響它的質量。事實上它可能已微量的發胖了,這讓科學家們有點尷尬啊,因為他們的研究結論常常是建立在永恆不變的單位上頭。

所以新單位會變得怎麼樣呢?

預計到了 2018 年第 26 屆國際度量衡大會,國際度量衡委員會的草案內容仍會維持「公尺(metre)、公斤(kilogram)、秒(second)、安培(ampere)、克耳文(Kelvin)、莫耳(mole)和燭光(candela)」七大單位,讓 SI 在不用大規模更動的情況下,確保當前測量方法的連續性。

其中變化最大的,當然是最後一個使用實體標準的「公斤」,因為科學界將放棄末代小金屬圓柱(IPK 哭哭),改用普朗克常數定義。

普朗克常數用來描述電磁波能量和頻率之間的關係(普朗克-愛因斯坦關係式 E=hν。其中,E 是能量,ν 是頻率和 h 是普朗克常數)是科學中最重要的數字之一,但非常難測量。物理學家們花了二十多年,尋求各種可斷定普朗克常數的方法,其中包含瓦特天平器(Watt Balance)。

近期任職於美國國家標準與技術局(NIST)的物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)團隊宣布已取得初步成果:他們把已知質量的物體擺在瓦特天平器的一端,另一端則對線圈施加電流產生機械力,與物體因重力下拉的力達到平衡。從電磁力算出普朗克常數的值後,再透過質能互換公式「E=mc2」求得質量,精準度可達 3.4×10-8。該團隊預計 2017 年 7 月會再次公布他們獨立測量的結果。

等到 2018 年國際度量衡大會從各團隊測量出的數值中,正式挑出一個最準確的版本為最終值後,IPK 就可以退休了。

圖片來源:Richard Steiner@wikipedia, by CC 3.0

美國國家標準技術研究所的瓦特天平。圖片來源:Richard Steiner@wikipeda, by CC 3.0

另一個測量電流的單位「安培」,目前定義為真空中,兩條無限長、無敵細,且相距一公尺的平行導線通過恆定電流時,兩者交互作用所產生某一程度的力,就是一安培。但……無限長、無敵細的導線在現實中根本不存在啊,換掉換掉,改用可以真正被測量的基本電荷吧!克耳文和莫耳也將分別從水的三相點及相對原子質量,改由明確的波茲曼常數(Boltzmann constant)和亞佛加厥常數(Avogadro constant)來定義。

原本就以自然常數定義的公尺、秒和燭光,只需要根據新草案調整一下當前的數值。完整的單位制度變化可見下圖:

七大國際基本單位的新舊制比較圖。圖片來源:Emilio Pisanty@Wikipedia

2018 年新單位制通過後,國際單位制的定義將從左圖改為右圖。圖/Emilio Pisanty@Wikipedia

「說了這麼多,所以對我會造成什麼影響嗎?2018 年過後,我的身高可以從表定 160 公分灌水成 180 公分,或是體重(名義上)瞬間少十公斤嗎?」

呃……確實不會。但對科學界來說,準確的單位制度可是物理學研究的基礎,而新單位制度也是建立於最新的科學研究上,包含量子機械法則及相對論等。新制度上路後,只要沒有突然發現什麼新的自然常數,研究人員就能放心使用好一陣子啦。

 

參考資料

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關於作者

現任 PanMedia 編輯。興趣多多,書籍雜食者,喜歡問為什麼,偶爾也愛動手嘗試。

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