自法國大革命以來最偉大的度量衡革命,公斤改以常數定義正式啟用

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 21 日 14:56 | 分類 科技史 , 科技教育 , 科技生活 follow us in feedly

5 月 20 日除了是總統就職第三年,也是新度量衡制實施的第一天。法國凡爾賽舉行的第 26 屆國際度量衡大會,由 60 個成員國進行歷史性投票,通過將國際單位制(International System of Units)中 4 個基本單位,即公斤、安培、克耳文、莫耳,重新以自然界的基礎常數定義,在 2019 年 5 月 20 日生效。



18 世紀以前,全世界並沒有通用的統一單位,直至 1795 年,法國大革命爆發後第 6 年,由法國率先以律法基礎定義了公制,並在 1799 年製作了鉑金公尺及鉑銥公斤原器。1869 年,拿破崙三世為宣傳國內公制,批准成立國際科學委員會,用以促進貿易並比對國家間的度量衡,由此誕生了第一個國際公尺原器。

當時 1 公尺的定義是地球赤道到北極點距離的一千萬分之一,此後國際公尺原器沿用至 1960 年,才改成以氪原子在真空的能階躍遷波長定義。接著 1983年,國際度量衡大會因氪原子不易取得而改用光速定義公尺,最終以光在「真空」行進 299,792,458 分之一秒的距離定為「1 公尺」,這也是 SI 基本單位的定義首次以一個物理常數為基礎。

往後漸漸所有 SI 基本單位都以物理常數定義,並逐項修改及逐項生效,唯有公斤原器仍然存在。直到 2011 年,巴黎的原始國際公斤原器(一般以大寫 K 表示)的重量竟然在檢查及清潔時發現又減少了約 50 微克(5×10╶⁸ 公斤),且這已經發生很多次了,為了保證質量的定義不能隨時間或其他因素更動,故該年國際度量衡大會以全體在場 55 位代表一致贊成的票數,同意利用物理常數重新定義公斤,於是在 2014 年以瓦特秤(後因發明者 2016 年去世改名為基布爾秤)實驗量測精準的普朗克常數,並在 2016 年決議將普朗克常數定為 6.62607015×10╶³⁴kg‧m²‧s╶¹,並以此定義公斤。

▲ 實現普朗克常數所定義公斤的方式有兩種,一種為基布爾天平(Kibble balance);另一種則為 X 光晶體密度法(XRCD method),就是矽晶球法。圖中為台灣工研院引進之公斤標準矽晶球。(圖片來源:科技新報)

經過 4 個以上可信機構提交準確數據,且精確度必須精於 5×10╶⁸ 公斤,故新的公斤定義改變了,2018 年 11 月 16 日,7 個基本單位的定義都與物理常數聯結並廢除 1990 年公約,其餘導出單位如牛頓、焦耳、帕斯卡……等,與公斤相關的也全部更新,並於 5 月 20 日實施。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖為鉑銥公斤原器模擬圖,來源:By en:User:Greg L [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

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