成為宇宙笑柄的定義 地球上的一公斤是多少?

by:時穿
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你知道 1公斤是怎麼定義的嗎?不知道也沒關係,因為這個定義可能很快就要改變了。

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圖為 2014年4月,剛果南基伍省(South-Kivu province)的一名小販正在秤金塊。

路透社/達志影像

想統一度量衡的路易十六

18世紀末,法王路易十六希望能統一度量衡,他要求科學家們找出一種能讓所有人、在任何時間都能量出 1公斤和 1公尺的方法。當時科學家的建議是,1公斤就是 1公升冰點溫度(編註)的水重,而 1公尺就是從北極到赤道長度的一千萬分之一。

編註:水的冰點溫度在 1大氣壓下為攝氏 0°C。

再加5種組成國際單位制

隨著時間過去,科學家們需要更多物理量的基本單位定義,除了質量(公斤, kg)和長度(公尺, m)之外,又陸續加上了時間(秒, sec)、電流(安培, A)、溫度(克耳文, K)、物質的量(莫耳, mol)和發光強度(燭光, cd),組成了「國際單位制」(Système International d'Unités, SI制)。

用水測質量  不準

然而,最一開始制定出來的國際單位制並不完美。以 1公斤為例,當時科學家的定義是冰點溫度 1公升的純水重量,但他們很快地就發現這樣定義 1公斤會出現問題:1799年,當科學家們重新比對 4年前測得的 1公斤重的物體時發現,明明是一樣的東西,4年後再拿來和冰點溫度 1公升的純水做比較,重量居然變成原本的 99.92072%。

真空狀態測才準

這是因為大氣壓力會影響到秤重時的準確度,如果要避開大氣壓力的影響,就必須要在真空的環境下測量。

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圖為國際公斤原器的電腦合成影像,其旁邊是一把刻度單位為英吋的尺。目前國際公斤原器存放於法國國際度量衡局,只有和它一樣重的東西才算 1公斤重。

Photo: Greg L

鉑銥合金「國際公斤原器」

1889年,科學家們終於找到了解決辦法──他們用鉑銥合金製作出一個金屬圓筒,並用 1個 3層的密封玻璃罩子封住,確保這個鉑銥金屬圓筒不會因此氧化,並存放在法國塞夫爾(Sèvres)的國際度量衡局(BIPM)裡。它就是「國際公斤原器」(International Prototype of the Kilogram, IPK),凡是和它一樣重的物體就會被視為一公斤重。

複製品也要定期比對

除了存放在國際度量衡局的國際公斤原器外,國際公斤原器還有數十個複製品,但每一份複製品約隔 40年左右,就要回到國際度量衡局和真正的國際公斤原器比對一下,確定這些複製品的重量真的是 1公斤重。

國際公斤原器照顧不易

要照顧這個國際公斤原器並不是件容易的事,清理時必須要使用沾有乙醇和乙醚的麂皮擦拭,再使用經過 2次蒸餾的水用蒸氣清洗,這只有手上握有國際公斤原器金庫 3把鑰匙的工作人員才能辦到。

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圖為 2007年9月,國際度量衡局的物理學家戴維斯(Richard Davis)和一個 118年的國際公斤原器複製品合影。

美聯社/達志影像

細心呵護  還是有變輕

然而,即使國際度量衡局的工作人員這 129年來細心呵護這個世界上獨一無二的國際公斤原器,它的重量還是有可能在拿進拿出稱重的時候、工作人員在清洗的時候不小心變輕了一點。

之前就一直有人注意到,國際公斤原器的重量好像比複製品輕一點,但這也有可能是複製品們接觸到空氣氧化而變重了。

這個標準其實不好

其實科學家們自己知道,用國際公斤原器來定義 1公斤到底多重並不是一個好方法。如果要定義 1個基本物理量的單位,最好要找到 1個不會因為時間、地點有所改變的定義方式。

一塊金屬  成為全宇宙的笑話

美國國家標準暨技術研究院(NIST)的物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)說:「如果外星人來到地球,我們除了物理之外還能聊什麼?如果我們要聊物理,就必須要有共同的單位,如果我們說我們的質量單位是一塊放在巴黎的金屬,那我們就會被全宇宙取笑。」

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圖為 1889年國際度量衡局改良過第一代國際公尺原器的設計後,所製作的X形鉑銥合金棒,它在 1889-1960年間作為 1公尺長度標準。

Photo: Wikimedia Commons

長度和時間單位都曾改過

事實上,國際單位制裡面的 7個基本單位,就只剩下 1公斤的定義到現在都還是採用和某個東西進行比對的方式。

舉例來說,18世紀末 1公尺定義為北極到赤道距離的一千萬分之一,歷經了「國際公尺原器」時代之後,在 1983年已經改成光在 299,792,458分之一秒鐘行進的距離是 1公尺。

而曾經定義為平均一天長度的 8萬6,400分之一的 1秒鐘,也因為每天時間長度變化太大很難測量,已經在 1967年改為銫原子震動 9,192,631,770次的時間為 1秒鐘。

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圖為美國國家標準與技術研究院(NIST)編號為NIST-4的基布爾秤,它能利用普朗克常數、電流和電壓值精準測出 1公斤。

Photo: J. L. Lee / NIST

用電磁力測質量

不過這種以國際公斤原器定義 1公斤的方式,很有可能在不久之後將成為過去式。

本周五(16),每 4年召開一次的國際度量衡大會(General Conference on Weights and Measures)將投票決定是否要更改國際單位制的定義方式。如果順利通過的話,從明年 5月起, 只要利用「基布爾秤」(Kibble balance,又稱「瓦特秤」watt balance)利用普朗克常數(Planck constant)、電流和電壓值,就能用電磁力精準量測出 1公斤的物體質量。

對一般大眾沒有影響

英國國家物理實驗室的物理學家羅賓森(Ian Robinson)指出,不管最終投票結果為何,新的質量定義方式準確度提高對科學家來說是件好事,但對於一般消費者上街買麵粉或香蕉,「絕對不會有任何改變」。

上線時間:2018/11/13
增修日期:2018/11/13  修正內文