单位革新：重新定义公斤？ 今年刚过去的5月20日是一年一度的世界计量日，听起来似乎和自己没什么关係？先别走开，计量学里的单位对于每个人的生活可说是相当重要。 「世界计量日」纪念着一百四十年多前签定的《米制公约》(Metre Convention, 1875)，自那时起逐渐确立了国际统一的度量衡系统。2019年世界计量日打出的口号是「基础更为稳固的国际单位制」(“The International System of Units – Fundamentally better”)，之所以说是「基础」，是因为从这一天起，几个基本单位的新式定义就正式上路了。 ●单位——不起眼却又不可或缺 伴着国际间交流、全球化的发展，各种区域、领域间的单位系统也应运而生，最后发展为现今的国际单位制(International System of Units, SI)。综观这个一统单位的过程，其实某程度上也描绘了人类观察这个世界的眼界的扩张。从最初的长度和质量，依序加入时间、电流，发展到目前为止，SI由七个基本单位组成，分别描述长度(公尺, m)、质量(公斤, kg)、时间(秒, s)、电流(安培, A)、温度(克耳文, K)、物量(莫耳, mol)以及发光强度(烛光, cd)。 因为这些基本单位，以及它们的精确程度，让生活变得更加便利。举例而言，当你使用导航去某个陌生地点时，GPS服务便仰赖着同步时间，来计算用户所在的位置；製造药品时，每份药物重量通常都非常小，精确的质量单位能确保药物里各成分比例的稳定；研究气候系统时，短时间内的均温变化相当微小，準确的温度单位能帮助我们更好地监控气候的变化。 ●硕果仅存的人工造物标準——公斤原器 图一 国际米原器模拟图(左, 来源: wiki)以及国际千克原器複製品(右, 来源: wiki, CC BY-SA 3.0) 还记得那朵小王子悉心照料，一度被保护在玻璃罩下的玫瑰花吗？如果你拥有真正珍贵而脆弱的事物，那么把他们罩在玻璃罩下的确是个好主意——至少位在巴黎的国际度量衡局(Bureau international des poids et mesures, BIPM)就是如此保护着我们的国际千克原器，用的还是层层的保护罩，测量校準时需要三把钥匙都到场才可动用。 作为最早发展出来的两个公制单位之一，千克原器一直肩负着全球质量标準的责任，在SI制中是硕果仅存，由人工造物而非自然界常数来决定的单位。以存放在BIPM的铂铱千克原器作为国际标準，各国的度量衡标準实验室所存有的複製品(副原器)为国家标準，依序将这标準透过砝码传递到各国的其他实验室或者企业，这么层层依序传递，并且定期校準的浩大工程，为的就是确保各地区的质量基準都是相同的。 由于标準在传递的过程中，可能会产生误差，因此，作为标準源头的千克原器的正确性更为重要。历史上对于千克原器的校準测量总共进行了四次，最近两次分别为1993年和2014年，1993年的测量发现公斤原器的质量以每世纪50微克的速度衰减，然而2014年再度测量却发现这个趋势消失了，原因为何仍是个谜，却郑重提醒着我们，尤其是对于那些需要精準测定的领域，利用人工造物作为单位基準所带来的不确定性。 ●新制标準正式上路 图二 硅晶球 (来源: NIST [3]) 目前质量标準的使用与传递已行之有年，但由于人工造物所带来的不确定性，计量学者们开始寻求替代方式，最后在2018年决议改由量子力学中的普朗克常数来决定质量标準，且于今年的世界计量日正式上路。除了公斤以外，安培、克耳文以及莫耳数的定义也都有相关的改动，这些改变在科学家的努力下，对于日常生活的影响皆微乎其微，所以不须担心一觉起来站上体重机会不会被增胖或被减肥。 新制下的公斤可以透过瓦特天平(Kibble balance)，利用重力和电磁力间的平衡来决定质量；另一方法则是X光晶体密度法(x-ray-crystal-density method, XRCD method) ， 先依特定标準打造硅晶球，再去计数球体内部的硅原子数目乘以硅原子的质量便可以决定质量，这同时也是决定莫耳数的方法之一。新制施行后，各地的标準实验室可以自己打造实验来实现公斤的定义，逐渐脱离对千克原器的依赖，目前台湾的国家度量衡标準实验室决定採用的方法便是X光晶体密度法。 ●千克原器们的待退生活 虽然新制的公斤定义已经正式上路，不过千克原器们还不能拍拍屁股走人，迎接退休日子的到来之前得好好交接。接下来的几年内，各地的千克原器们会依现况保存着，与透过新制得到的标準互相进行校正，尤其是BIPM里超过一世纪历史的千克原器具有测量学上的价值，因此可得在那双层玻璃罩下继续待上好一阵子。 新制的施行代表现有的基本单位全都由自然界的常数来决定，去除人工造物对于科学计算带来的不确定性，帮助我们对于这个世界的理解免受时空变化的影响，这次的改变或许微乎其微，但却标誌着人类文明新的篇章。 ?参考资料： The International System of Units (SI) 质量的单位：千克(kg) Kilogram: Silicon Spheres and the International Avogadro Project 查看更多
第1天
关注盖德视界
添加小助手
