物理

最後的單位原器

我們即將透過普朗克常數來重新定義公斤,以獲得更好的質量單位定義。

撰文/謝赫(Knvul Sheikh)
翻譯/洪艾彊

物理

最後的單位原器

我們即將透過普朗克常數來重新定義公斤,以獲得更好的質量單位定義。

撰文/謝赫(Knvul Sheikh)
翻譯/洪艾彊


公斤(或稱千克)是127年前定義的單位,也是國際單位制中最後一個依據測量實際物體做為標準的基本單位。保存在法國巴黎近郊國際度量衡局(BIPM)儲藏室內、高爾夫球般大小的鉑銥圓柱,安置在真空封存的三層玻璃罩內,儲藏室則受到嚴密的外部安檢和內部室溫管控;即使微量的灰塵、濕氣、指紋上的油污或熱脹冷縮都足以影響圓柱質量。保管人員謹慎保護這個稱為「大K」的圓柱,每40年才取出一次,和來自世界各地的其他公斤原器進行比對。即使如此,當兩者質量出現差異時,我們無法十分確定到底是大K變輕了,或是其他公斤原器受到污染而變重。


物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)任職於美國國家標準與技術局(NIST),他說:「對於當代科學,這是一個嚴重問題,因為許多技術有賴公斤的精密測量值。」因此幾十年來科學家嘗試改用自然常數來重新定義公斤,冀望得到更穩定且普及的測量單位。


史蘭明格的團隊最近宣佈,他們透過普朗克常數來定義公斤,已獲得初步成果。方法是藉由單顆光子的能量和頻率的比值得到普朗克常數,再以愛因斯坦知名的質能互換公式 E=mc2 求得質量。這篇論文發表在《科學儀器評論》,描述NIST團隊如何利用瓦特天平(watt balance)來算出普朗克常數。


研究人員先把已知質量的物體擺在瓦特天平的一端,然後對磁場中的可移動線圈施加電流,借助電磁力便可算出普朗克常數的值,精準度達3.4×10 -8


但是在全球普遍透過普朗克常數重新定義公斤前,數個團隊必須趕在2017年7月公佈他們獨立測量的結果。因為2018年舉行的國際度量衡大會將評估不同團隊的數據,包括藉由計數矽球上的總原子數而得出的普朗克常數,接著複雜的電腦程式會從這些數據來決定最終的值。屆時,大K可望功成身退,與擺設在羅浮宮的公尺原器及其他的人為標準原器並列。


國際單位制簡史

1799 ─ 在法國大革命期間,人們首度提出公制單位,並選出兩件鉑製器具,分別做為公尺與公斤的標準原器。

1889 ─ 第一屆國際度量衡大會制定公尺和公斤的國際原型,並加入秒這個時間單位,組成三個基本度量衡單位。

1954 ─ 第10屆大會把絕對溫度做為溫度的度量衡單位。

1960 ─ 第11屆大會取消實體的公尺原器,改採氪86輻射出的波長的某個倍數,做為新定義標準。在1983年,再度變更為光在特定時間內行進的距離。

1967 ─ 第13屆大會中把秒的定義從平均太陽日的1/86400,改為銫133輻射週期的某個倍數。

2018 ─ 關於公斤的標準定義,將從實體原器改為透過普朗克常數來求得。


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