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和百年公斤原器說再見!七大國際單位制 520 起換定義啦!

valerie hung
・2017/01/09 ・2921字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 520 ・七年級
  • 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!

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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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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