如何使用樂高測量普朗克常數？

• 2018.11.15 編按：國際度量衡大會將在明天 (2018.11.16) 拍板定案最新的「一公斤」定義，也就是說，參考的標準將從實體的「鉑銥公斤原器」改為基於更加精準的「普朗克常數」，大會決議後，新的定義將在 2019.05.20 正式生效。究竟國際通用百年的「公斤」定義為何要改變、要如何改變，讓我們一起來了解吧！

未來，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！

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。

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。

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：

「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：

• FIONA MACDONALD, Our units of measurement are finally about to get an upgrade. ScienceAlert. [3 NOV 2016]
• Proposed redefinition of SI base units

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愛荷華州立大學（The Iowa State University）材料科學與工程系助理教授Ludovico Cademartiri想了解環境對植物生長的影響，特別是在氣候變化與土壤特性如何影響根系的生長。要進行這樣的研究，植物要暴露於高度受控的環境中，包括養分、水、氧氣以及根的物理障礙物等等都要控制。

過去在植物實驗上最常用的環境控制方式，包括了溫室（Greenhouses）、培養箱（growth chamber）與微流控技術（microfluidic technologies）；溫室與培養箱可以為整株植物創造一個大致上控制得還不錯的環境，但是整間溫室都一樣。微流控技術可以建立一個高度控制微米級的環境，但是造價很貴，又比較複雜，也不容易擴充。

Cademartiri認為，這種研究植物和根系的生長的設備，應該是簡單、廉價、靈活、再現性高，並能同時進行多個實驗。這樣的東西最好還能模組化，結構精確又容易擴充，即使在沒有最新的技術或植物科學或農業研究的基礎設施的實驗室也能操作。 當然，這種設備還要透明，可以用高溫高壓消毒，立體，具有安定的化學性質，而且能與現有的植物生長實驗相容。

看起來達成所有這些要求似乎是很困難，但是他想到了完美的解決方案：樂高積木。

Cademartiri說，不要認為它們就是玩具。樂高積木實際上是以精密非凡的標準來構建的高品質的塑膠模組，我們可以用它來建立任何東西；而且非常適合用來解決複雜的設計問題。

Kara Lind（愛荷華州立大學博士生）說，她在這個研究裡面負責的項目是：搞清楚如何將透明的樂高積木搭成可以充填凝膠或其他土壤替代物，然後讓植物在裡面發芽和生長。她還嘗試把樂高的環境擴充，好讓正在成長中的植物可以繼續裝在裡面。

除此之外，她還開發在樂高的環境中建立化學梯度的技術，未來可以用來測試植物對營養物和毒素的反應。

研究人員認為，他們最近在PLoS ONE發表的研究結果說明了，對於研究植物根系來說，樂高積木是非常方便和靈活的設備。他們將繼續開發工具庫，製造複雜、實惠又精緻的工具（樂高積木）。

他們是怎麼做的呢？

1. 先用LEGO Digital Designer（簡稱LDD）設計出想要的實驗器具，接著LDD就會產生說明書，並告訴設計者他需要的積木數目與型號。

2. 到LEGO的”pick a brick”網頁進行線上購買。

3. 等積木來了以後，拿去滅菌後組合。 然後就可以做實驗了！

因為LEGO不是完全密合的，所以當要使用培養基培養植物的時候，在置備培養基的過程中會有少量培養基從隙縫流出，只需要在置備的時候先置備多一點培養基，等培養基冷卻到40度C左右再將培養基倒入LEGO容器，就不會損失太多培養基了。（詳情請看文章所附的影片）

參考文獻： LEGO bricks turned into scientific tool to study plant growth. Science Daily [ June 22 ,2014]

原刊載於作者部落格Miscellaneous999

文／曾吉弘（CAVE教育團隊）

本篇文章將使用三個樂高NXT 觸碰感測器來進行有趣的聲光效果，按下不同觸碰感測器就會讓手機畫面變色， 除此之外，當您點擊手機畫面時，機器人也會發出音效與您同樂。有接觸過App Inventor 的師長朋友們，歡迎從App Inventor 中文學習網下載原始碼回去加入更多有趣的功能。

觸碰感測器

樂高NXT 套件中的觸碰感測器前端有一個橘色按鍵，可藉此偵測是否撞到物體或被壓下。由於內部構造是一個開關（switch），所以只能判斷前端是否被壓下而無程度上的區別。對應的資料型別是布林（boolean）。在App Inventor 中， 我們使用NxtTouchSensor 元件的IsPressed 指令（圖1）來偵測觸碰感測器是否被壓下，如果被壓下則為true ，反之為false。

開始玩機器人

今天的機器人有點不一樣，不需要馬達，請拿出三個觸碰感測器分別接在NXT 主機的輸入端1 到3 ，組裝好如圖2（註1）。請確認NXT 主機的藍牙是啟動的，接著將NXT 主機與Android手機進行藍牙配對（註2），完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後您可以從NXT 主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能：

STEP1 登入畫面：首次進入程式的畫面如圖3a ， 只有「連線」按鈕可以按，其它所有按鈕都無法操作。點選「連線」按鈕後進入藍牙裝置清單（圖3b），請找到剛剛配對完成的NXT 主機名稱（本範例為abc），點選之後就會由Android裝置對NXT 主機發起藍牙連線。順利連線成功的話，就可看到淺灰色的鼓面，且「連線」按鈕變成不可按的狀態，只有「斷線」按鈕可以按（圖3c）。

STEP2 程式初始化：在點選連線清單之前（ListPicker Connect 的BeforePicking 事件），需先將清單內容指定為Android 裝置上的藍牙配對清單（圖4a）。點選之後則先測試連線是否成功，成功則將「斷線」按鈕設為不可點選、「斷線」按鈕設為可點選並顯示Canvas 畫布元件（圖4b）。

STEP3 使用副程式管理觸碰感測器狀態：我們宣告了三個變數t1、t2 與t3 來儲存三個觸碰感測器的狀態（圖5a）。接著宣告一個名為checkTouch 的副程式來管理這三個變數，只要某個觸碰感測器被壓下，就會將對應的變數改為1 ，反之則為0 ，最後回傳這三個變數的加總值（圖5b），我們就是根據這個加總值來改變Canvas 畫布元件的背景顏色。

STEP4 改變Canvas背景顏色：為了讓程式能夠持續監控三個觸碰感測器的狀態， 我們使用了一個Clock 元件，並設定其計時器更新頻率為100 ，代表每0.1 秒偵測一次觸碰感測器狀態。在Clock.Timer 事件中， 藉由呼叫checkTouch 副程式並根據它的回傳值（0、1、2、3） 將Canvas 背景顏色改為淺灰色、綠色。這裡回傳的數值代表被按下的觸碰感測器數目， 也就是說當您壓下1 號與3 號觸碰感測器時，這時與您壓下2 號與3 號以及1 號與2 號的意義是相同的，都會使手機畫面變為青綠色（ 圖6 中的Cyan）。同時我們也會把目前偵測到被壓下的觸碰感測器個數顯示在手機畫面上。

STEP5 點擊畫面播放讓機器人播放不同音效：當我們點擊Canvas 元件時， 會根據點擊位置讓機器人發出四種音效。Canvas 元件長寬各為320 像素， 所以我們取中點(160,160) 將畫面分成四等分（ 圖7a）， 點擊左上、右上、左下與右下時，會讓樂高NXT 機器人發出La、Sol、Mi 與Do 四種音效（圖7b、圖7c）， 每次播放長度為0.3秒，這是藉由NxtDirectCommand 的PlayTone 指令所達成的。

STEP6 斷線：按下「斷線」按鈕之後，會中止藍牙連線（BluetoothClient.Disconnect指令），並使畫面上的各個元件恢復到程式一開始時的狀態（圖8）。

操作

實際執行的時候，請先確認NXT 已經開機且藍牙也啟動了。接著在您的Android 裝置上點選畫面中的「連線」按鈕，會進到藍牙清單畫面，點選您所要的NXT 主機名稱並連線成功後，就能按下觸碰感測器來控制手機畫面顏色，或者點擊手機畫面來控制機器人發出不同的音效（圖9a ∼ 9c）。

歡迎大家由此連結或掃描以下的QRCode 來下載本程式：

本程式已上架Google play，請到Google Play 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app 了。請在App Inventor 中文教學網上直接下載本範例的App Inventor 原始檔與apk 安裝檔。

註1： 想學如何開發App Inventor 程式嗎？ 請到App Inventor 中文學習網（http://www.appinventor.tw）與我們一同學習。

註2： 將Android 手機設定為可安裝非Google Play 下載的程式以及讓手機與樂高NXT 主機連線等說明請參考：http://www.appinventor.tw/setup。

註3： 與NXT 連線後如果出現[Error 402] 之錯誤訊息請不必理會，程式依然能正確執行。

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2014/1月號