成為宇宙笑柄的定義,地球上的 1 公斤是多少?

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 17 日 12:00 | 分類 科技史 , 科技教育 , 科技趣聞 follow us in feedly

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。



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,他要求科學家找出一種能讓所有人、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 公升冰點溫度的水重(註:水的冰點溫度在 1 大氣壓下為攝氏 0 度),而 1 公尺就是從北極到赤道長度的一千萬分之一。

再加 5 種組成國際單位制

隨著時間過去,科學家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,當科學家重新比對 4 年前測得的 1 公斤重物體時發現,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,就必須要在真空環境下測量。

▲ 國際公斤原器的電腦合成影像,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。(Source:en:User:Greg L [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

鉑銥合金「國際公斤原器」

1889 年,科學家終於找到解決辦法──他們用鉑銥合金製作一個金屬圓筒,並用一個 3 層的密封玻璃罩子封住,確保這個鉑銥金屬圓筒不會氧化,並放在法國塞夫爾(Sèvres)的國際度量衡局(BIPM)。它就是「國際公斤原器」(International Prototype of the Kilogram,IPK),凡和它一樣重的物體就視為 1 公斤重。

複製品也要定期比對

除了放在國際度量衡局的國際公斤原器,國際公斤原器還有數十個複製品,但每一個複製品約隔 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

要照顧國際公斤原器並不是件容易的事,清理時必須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。

▲ 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。(Source:達志影像)

細心呵護  還是變輕

然而,即使國際度量衡局的工作人員這 129 年來細心呵護世上獨一無二的國際公斤原器,還是有可能在拿進拿出稱重時、工作人員清洗時不小心變輕了一點。

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接觸到空氣氧化變重了。

這個標準其實不好

其實科學家自己知道,用國際公斤原器定義 1 公斤到底多重並不是好方法。如果要定義一個基本物理量單位,最好要找一個不會因時間、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)物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)說:「如果外星人來到地球,我們除了物理還能聊什麼?如果我們要聊物理,就必須要有共同單位,如果說我們的質量單位是一塊放在巴黎的金屬,那我們會被全宇宙笑。」

▲ 1889 年國際度量衡局改良過第一代國際公尺原器的設計,製作的 X 形鉑銥合金棒,它在 1889~1960 年當作 1 公尺長度標準。(Source:UnknownUnknown author [Public domain], via Wikimedia Commons

長度和時間單位都曾改過

事實上,國際單位制的 7 個基本單位,只剩下 1 公斤的定義到現在還採用和某個東西比較的方式。

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,1983 年已改成光在 299,792,458 分之 1 秒行進的距離是 1 公尺。

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,已在 1967 年改為銫原子震動 9,192,631,770 次的時間為 1 秒鐘。

▲ 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。(Source: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,不久之後可能成為過去式。

11 月 16 日,每 4 年召開一次的國際度量衡大會(General Conference on Weights and Measures)投票決定是否要更改國際單位制的定義。如果順利通過,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」。

(本文由 地球圖輯隊 授權轉載;首圖為 2014 年 4 月,剛果南基伍省 South-Kivu province 一名小販在秤金塊,來源:達志影像)

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