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    和百年公斤原器说再见!七大国际单位制将改头换面

    2017年1月10日 来源: Science

    2018 年秋季起,一公斤将可能不再是我们熟知的一公斤,一公尺也不再是一公尺,这并不是在暗示你的身高体重又随著年岁的变化,而是我们的七大国际单位制又有机会更新啦!这对整个科学界来说,可能是比诺贝尔奖更激动的大事件啊!

    科学界即将在 2018 年更新测量单位,但放心,你的身高体重或腰围都不会突然改变

    虽然 iPhone 几乎每年推出新版本,微软也在三十多年之间从 windows 1 一路更新到了 windows 10,不过软硬体规格不合,勉强能靠著转接头、发布更新档更新凑合著用,但度量衡这种涉及全球各行各业的标淮,似乎不能说改就能改的,可得从长计议。

    原本科学家将质量、长度、时间、电流、温度、物质量、发光强度,这七个物理现象的单位定义为「公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)和烛光(cd)」而根据国际度量衡委员会(CIPM)提出一份新草案,将除去国际单位制中科学家假设的数值,全部改由自然界的基础常数来订定,一但通过后,期盼让整个世界的测量系统都将变得更加精确。

    我们原本用的单位从哪里来?

    国际单位制(法文 Système International d’Unités,简称 SI)可说是全世界测量系统的基石,此制度最早源自于 1799 年法国大革命时期科学家所发展的「公制」,经过 1960 年第十一届国际度量衡大会修改调整后,推荐给全球使用,再经过一次次更新,成为我们现在的国际单位制。

    目前七大国际单位制当中,有六个单位是由没有实体的自然现象所定义,只有一个单位可以用实际物体来表示,那就是「公斤」。(不过在 1960 年以前,公尺也有一根实体棍子来代表喔!)

    一公斤到底是什么呢?一般人可能会直觉回答:「1000 公克?」,但实际上能堂堂正正喊出「我就是童叟无欺的一公斤」的最高权威,是一块放在法国巴黎近郊的国际标淮局(BIPM)保险箱的标淮砝码「国际公斤原器(International Prototype of the Kilogram,简称 IPK)」。

    IPK 是由 90% 铂(platinum)及 10% 铱(iridium)打造,大小大概如高尔夫球的铂合金直立圆柱体,平时放在真空封存的三层玻璃罩内。全球还有许多 IPK 的复制品,作为各国自己校正单位的标淮。

    虽然巴黎的 IPK 号称是正港的一公斤。但即使选用不易膨胀和氧化的材质,收藏环境也受严密监控,IPK 还是个会随著时间逐渐发生变化的「凡物」,包含灰尘、湿气或触摸时的油污都会影响它的质量。事实上它已经微量的发胖了,这让科学家们有点尴尬啊,因为他们的研究结论常常是建立在永恒不变的单位上头。

    所以新单位会变得怎么样呢?

    预计到了 2018 年第 26 届国际度量衡大会,国际度量衡委员会的草案内容仍会维持「公尺(metre)、公斤(kilogram)、秒(second)、安培(ampere)、克耳文(Kelvin)、莫耳(mole)和烛光(candela)」七大单位,让 SI 在不用大规模更动的情况下,确保当前测量方法的连续性。

    其中变化最大的,当然是最后一个使用实体标淮的「公斤」,因为科学界将放弃末代小金属圆柱(IPK 哭哭),改用普朗克常数定义。

    普朗克常数用来描述电磁波能量和频率之间的关系(普朗克-爱因斯坦关系式 E=hν。其中,E 是能量,ν 是频率和 h 是普朗克常数)是科学中最重要的数字之一,但非常难测量。物理学家们花了二十多年,寻求各种可断定普朗克常数的方法,其中包含瓦特天平器(Watt Balance)。

    近期任职于美国国家标淮与技术局(NIST)的物理学家史兰明格(Stephan Schlamminger)团队宣布已取得初步成果:他们把已知质量的物体摆在瓦特天平器的一端,另一端则对线圈施加电流产生机械力,与物体因重力下拉的力达到平衡。从电磁力算出普朗克常数的值后,再透过质能互换公式「E=mc2」求得质量,精淮度可达 3.4×10-8。该团队预计 2017 年 7 月会再次公布他们独立测量的结果。

    等到 2018 年国际度量衡大会从各团队测量出的数值中,正式挑出一个最淮确的版本为最终值后,IPK 就可以退休了。

    美国国家标淮技术研究所的瓦特天平

    另一个测量电流的单位「安培」,目前定义为真空中,两条无限长、无敌细,且相距一公尺的平行导线通过恒定电流时,两者交互作用所产生某一程度的力,就是一安培。但……无限长、无敌细的导线在现实中根本不存在啊,换掉换掉,改用可以真正被测量的基本电荷吧!克耳文和莫耳也将分别从水的三相点及相对原子质量,改由明确的波兹曼常数(Boltzmann constant)和亚佛加厥常数(Avogadro constant)来定义。

    原本就以自然常数定义的公尺、秒和烛光,只需要根据新草案调整一下当前的数值。完整的单位制度变化可见下图:

    「说了这么多,所以对我会造成什么影响吗?2018 年过后,我的身高可以从表定 160 公分灌水成 180 公分,或是体重(名义上)瞬间少十公斤吗?」

    唉……确实不会。但对科学界来说,淮确的单位制度可是物理学研究的基础,而新单位制度也是建立于最新的科学研究上,包含量子机械法则及相对论等。新制度上路后,只要没有突然发现什么新的自然常数,研究人员就能放心使用好一阵子啦!

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