物理

千克標準怎定義

製作於19世紀的國際公斤原器,目前不明原因逐漸減輕。 科學界想改用自然常數定義公斤,以確保全世界的度量衡標準精準又恆定。

撰文/佛爾格(Tim Folger)
翻譯/甘錫安

物理

千克標準怎定義

製作於19世紀的國際公斤原器,目前不明原因逐漸減輕。 科學界想改用自然常數定義公斤,以確保全世界的度量衡標準精準又恆定。

撰文/佛爾格(Tim Folger)
翻譯/甘錫安


普瑞特(Jon Pratt)走進機場安檢站時神情有點緊張,他的相機包裡裝有四塊實心金屬圓柱體,警覺性極高的美國運輸安全局人員一定會格外留意這類物體。圓柱體每塊重達一公斤(或稱千克),其中一塊是亮晶晶的鉑銥合金,大小跟半個鮪魚罐頭相仿,價值至少四萬美元(鉑的價格大約每金衡盎司1000美元);另外三塊圓柱體則是用不銹鋼精密加工製成。


普瑞特的任務:把這些圓柱體安全送到法國巴黎市郊,交給一位同事。


那是去年4月的某天下午,普瑞特憑著美國國家標準與技術局(NIST)公文,得以順利通過華盛頓杜勒斯機場的安檢。這份文件說明他攜帶的是四塊美國官方公斤砝碼,也就是美國進行各種重量測量時的參考質量,並且載明公斤原器不可觸摸或從保護筒取出。


普瑞特身材修長,以前曾經是龐克搖滾歌手,現在則主持NIST位於馬里蘭州蓋瑟士堡的量子測量部。他說:「安檢人員本來不肯放行,但看過文件之後,這個很酷的東西讓他心情好了不少。」幾分鐘後,普瑞特通過安檢,登上了飛行七小時到巴黎的班機,這時又碰到一個問題:如果他要離開座位,該怎麼處理這件價值不菲的行李?他應該依照某些同事的建議,隨身攜帶它嗎?普瑞特說:「我承認去洗手間時把它放在前面座位底下,所以它曾經短暫離開我視線,說不定有人摸過這些公斤砝碼。」


這很可能白白浪費了幾個月來,仔細測量公斤砝碼精準度達10億分之一所投入的心力。普瑞特前往與巴黎隔著塞納河相望的塞夫爾,把這些圓柱體送到國際度量衡局(BIPM)。幾個月後,BIPM計量學家比較了它們和來自其他三個國家的金屬圓柱體,以及德國國家度量衡實驗室製作的一公斤高純度矽球。這是全世界質量測量方式最新的重大改變。


1889年,也就是艾菲爾鐵塔落成的那一年,公斤定義成BIPM總部中一塊鉑銥合金圓柱體的質量;此圓柱體存放在地下保險庫裡,蓋上三個玻璃鐘罩層層保護。國際公斤原器(IPK,或稱「大K」)是最原始的標準公斤,其他國家再依據它來制定質量標準。公斤跟其他度量衡標準稍有不同,是目前唯一仍然以實際物體當成標準的量測單位,但不久之後也將改變。2018年底,大K將會廢除,公斤也改以普朗克常數重新定義;出自量子理論的這個常數與單一光子帶有的能量相關。


大K變輕了!

為什麼大K必須退役?多年以來,計量學家希望改用宇宙中的基本常數確保國際質量標準的精準度與可靠度,取代從維多利亞時代珍藏至今的一塊金屬。不過進行這項變革其實有個更急迫的理由:大K的質量正逐漸減少。每隔30年左右,大K會被取出進行清潔,並與另外六塊官方複製品比較。這些複製品稱為「見證」(temoin),與大K存放在同一個保險庫。


1889年,最初兩塊複製品與大K比較時,質量都與原器相同,不過二次世界大戰後不久以及1992年,各別進行的兩次測量都發現大K比複製品略輕。假若複製品不明原因增重,而大K沒有改變,似乎難以置信,但當然有更合理的解釋。BIPM局長史托克(Michael Stock)說:「我們可以假設IPK的質量正在減少。」國際度量衡大會(CGPM,BIPM的主管機構)於2011年決議制定新的質量標準,這項不準度也是原因之一。

沒有人知道大K可能變輕的原因。IPK價值太高,無法進行檢驗來查明真相。這個謎團造成了實際問題:預估未來數十年的科技進展,在分子尺度精密測量質量將成為許多產業的常態。普瑞特說:「我們將必須測量微克質量精準度達至少三位數。如果仍然用人造物體定義,在小尺度的質量測量會變得非常不確定。」

大K的缺點不只影響質量測量,力和能量的單位其實也源自公斤。史托克說:「因為IPK改變,現在我們會看到基本常數值隨之改變,但這不合常理。」

重新定義基本單位


公斤是七個公制基本單位中最後重新定義的,但不會是最後一次。除了公斤,國際單位制(SI)還包括公尺、安培(電流單位)、秒、燭光(光度單位)、莫耳(物質的質量與所含原子數之比)以及克耳文(溫度單位)。


其中兩個單位在數十年前重新定義。公尺原本定義成實心鉑銥合金棒上兩道刻痕之間的距離,此棒與大K存放在同一個保險庫裡;1983年,定義改成光行進1/299792458秒的距離。改良過的原子鐘於1960年代問世後,秒的定義也從平均太陽日的1/86400,改採銫原子釋出的微波輻射中的某個特定頻率為依據。莫耳、克耳文和安培的定義也將於2018年重新討論。

安培的狀況尤其特殊,正式定義中描述到兩條無限長、截面積可忽略且不具質量的導線,實在太抽象,而無法在實驗室中測量。到了2018年,這將有所改變。現在奈米科技裝置已能計算在導線中流動的個別帶電粒子,所以可藉由電子的電荷量來重新定義安培。

加拿大主導此項工作的計量學家史提爾(Alan Steele)說:「如果預想下一次重新定義,可能會以量子力學方法定義燭光,秒的定義也許會從微波改成光學方式。不過這至少還要等15年,甚至可能更久。」

重新定義公斤,為的是創造放諸四海皆準、跳脫地域與世俗傳統的量測制度。原則上,無論是在地球上或在仙女座上,居住在任何地方的智慧生物都能夠理解這些新單位。對計量學家而言,這些時刻令人格外興奮。史提爾說:「這是千載難逢的機會。上一次類似的基礎工作是重新定義公尺。我覺得這時能負責主導這項工作真是太棒了。這不是世界和平之類的偉大成就,但是非常重要。」


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