科學迷看過來》比黃金還貴重的國際公斤原器「大K」即將退役!「一公斤」的定義將改由「普朗克常數」計算

2018-11-15 10:10

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「公斤」是公制國家日常生活中每天都會用到的度量衡單位,但「1公斤」究竟有多重,又是如何測量得出,卻鮮少有人留意。逾百年來,全球都以1顆如高爾夫球般大小的鉑銥合金砝碼,作為通用的1公斤質量標準。但隨時間推移,這顆「鉑銥公斤原器」的本體受濕度、灰塵等因素影響,使質量出現細微變化,無法進行精確的測量。經過多年討論,國際度量衡大會將於16日投票表決,改以物理常數「普朗克常數」重新定義公斤的單位標準,公斤原器也將功成身退。

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國際公斤原器「大K」比黃金還珍貴

在又被暱稱為「大K」(Grand K)的國際公斤原器(IPK)出現之前,法國曾以1公升水溫攝氏4度純水的質量,作為1公斤的標準單位。但是水的密度會因為溫度跟壓力、時間等出現變化,因此國際度量衡大會(CGPM)在1889年通過,將以90%鉑和10%銥打造而成、高度和直徑均為39.17公釐的鉑銥合金圓柱體,定義為1公斤的質量基本單位,並且沿用至今。

為了國際貿易等層面的標準化需求,全球各地的1公斤重量單位,也都是以國際公斤原器為準,各國必須向國際度量衡局(BIPM)購買複製品,並定期送回進行比對,以確保國內質量符合通用標準。台灣也於1995年購置編號第78號的公斤原器,存放於新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」內,並且每10年都會「回娘家」1次進行校正。

國際度量衡局局長米爾頓(Martin J.T. Milton)展示國際公斤原器的複製品。(AP)
國際度量衡局局長米爾頓(Martin J.T. Milton)展示國際公斤原器的複製品。(AP)

國際公斤原器本尊和6個原始複製品被嚴密存放在巴黎近郊賽弗爾(Sèvres)的國際度量衡局總部,放置在需要3副置於不同地點的鑰匙才能打開的保險箱裡,再以3層真空玻璃罩與外界隔絕,只有在各國原器複製品需要校準等極少數的時刻,才會將原件小心翼翼地取出。

公斤是目前僅存唯一以「實體物」定義的單位

在國際單位制(SI)的7個基本單位(時間、質量、長度、絕對溫度、電流、光度、物質量)中,公斤是目前僅存唯一以實體物定義的單位,其餘單位則在經由多次修正後,皆由自然現象所定義。例如,公尺在1960年以前,也是由一根「國際公尺原器」金屬棒表示長度,但現今則將1公尺長度定義為光在「1299,792,458之1秒內於真空中行進的距離」。

即使維安等級堪比稀世珍寶,國際公斤原器的質量仍會隨著灰塵、濕氣以及清潔時沾染的油污,出現非常細微、約1億分之5公斤(略等於1根睫毛)的重量變化。也就是說,理應維持質量不變的公斤原器,百年來的「體重」一直在悄悄變動中。儘管這樣的變化對日常生活並無太大影響,但在失之毫釐、差之千里的科學、工業等領域,公斤原器已不符需求,單位定義的變革勢在必行。

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