【唔足秤好大鑊】一公斤不是一公斤?科學家投票為1 kg設新標準

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何謂「一公斤」?這個我們常用的重量單位「公斤」(kilogram,即kg),原來也是在國際單位制中,目前唯一一個仍然使用實物進行定義的單位,這個實物是一個合金圓柱體,質量相等於一公斤,它也有多個複製品送到世界各地,作為各地的重量標準參照。

只是科學家發現這個實物的重量也會有變化,與各個複製品又會出現重量差異,有時會輕微「唔足秤」,意味一公斤不再是一公斤。所以科學家決定在周五(16日)投票為一公斤設新標準,以物理學中的普朗克常數取代,重新定義「一公斤」。

「國際公斤原器」定義一公斤

一公斤原本的定義,就是一千毫升水的質量,但是水的密度會隨溫度及壓力變化,亦很難取得純水作參照,所以國際度量衡大會(CGPM)1889年打造一個由9成鉑及1成銥組成的鉑銥合金「國際公斤原器」(international prototype of kilogram),以此作為一公斤的標準。

科學家把這個大小如高爾夫球的「國際公斤原器」,暱稱為「大K」(Le Grand K),由於微量的灰塵、濕氣、指紋油污或冷縮熱脹等,都足以影響「大K」質量,故此科學家把「大K」保存在法國巴黎近郊的國際度量衡局(BIPM)儲藏室內,受到嚴密監控,並置於一個真空三層玻璃罩內保護。然後科學家又製造多個「大K」的複製品,送到世界各地,讓各地以此複製品作為該地的重量標準參照。

公斤新定義:國際度量衡大會(CGPM)1889 年打造一個鉑銥合金「國際公斤原器」,並將它保存在法國巴黎近郊的國際度量衡局,置於一個真空三層玻璃罩內保護。(VCG)

定期進行對比

科學家相隔多年就會取出「大K」一次,與世界各地的其他複製品定期進行對比,以確保質量標準的精準度。據指只有三位分別握有鑰匙的科學家聚在一起,才能將它拿出。

但是眾多大自然因素始終有所影響,據《衛報》指,科學家發現「大K」的重量會出現變化,例如受到灰塵或空氣影響時會重了一點點,或乾淨時又輕了一點點,令重量出現波動,此外,科學家在過去多年又發現,「大K」與複製品之間有質量差異,此差異在多年來累積到了差不多50微克,造成誤差。

50微克大概等於一粒沙子的質量,但對於科學及測量已是一個嚴重誤差。美國國家標準與技術局(NIST)物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)表示,許多技術有賴公斤的精密測量值,所以取代「大K」非常重要。

公斤新定義:科學家們發現「國際公斤原器」重量會有變化。圖為「國際公斤原器」示意圖。(VCG)

普朗克常數定義公斤

為更穩定及準確衡量公斤,國際度量衡大會2011年同意不再以有形物體作為質量標準,並以普朗克常數(Planck constant)來定義公斤。普朗克常數是一個量子物理常數,用以描述能量與電磁波頻率的關係。

利用普朗克常數定義質量主要有兩種方法,分別為「瓦特天平法」(watt balance)及俗稱矽晶球法的「X光晶體密度法」(XRCD method),但國際度量衡大會仍未沒選出以哪種方法為依歸,所以會在11月16日作最終投票。

「瓦特天平法」是透過在天平其中一端的磁場中放置線圈,再在另一端施加法碼,量度多少電流才能達到平衡,便可得出普朗克常數。「X光晶體密度法」為國際亞佛加厥計畫(International Avogadro Project)所發展的技術,透過計數高純度矽晶球的矽原子數量,得出普朗克常數。

公斤新定義:「X光晶體密度法」透過計數高純度矽晶球的矽原子數量,得出普朗克常數。(Twitter)

事實上,這並非首次以常數取代實物作為定義單位的標準。以前科學家亦是以鉑銥合金棒的長度定義「米」,及後在1983年才以光速定義。這些新定義雖然比較複雜,但卻不易變動。相信「大K」在不久的將來,就會與全球的兄弟「退役」,與鉑銥合金棒原器成為博物館一員。

(綜合報道)



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