當1公斤不再是1公斤⋯

World Journal (Los Angeles) - Weekly Supplement - - 社會新傳聞真眼 -

人類剛剛做了一個很有重量的決定。19世紀以來風行全球的「公斤」的定義,終於要改變了。60多國的代表11月中旬在法國凡爾賽市開會決議,根據國際度量衡局那塊白金與銥合金圓柱體重量定義的公斤,從此改由普郎克常數等同的能量來定義。兩個世紀以來,眾所公認的「公斤」,就是根據法國賽佛(Sevres)市國際度量衡標準局內部儲藏的一塊閃亮金屬來決定,這塊圓柱體鉑銥合金稱起來剛好一公斤。如果這塊「極具份量」的金屬重量稍有變動,擧世的度量標準也得隨之變動。

普朗克常數 禁得起考驗

60多主要國家的科學家投票通過,21世紀的「公斤」改由宇宙某一基本特徵,亦即普朗克常數(Planck Constant)來定義。普朗克常數是量子物理學的「小而怪」數字,因為它最能表述能量的最小可能單位。大家都知道,愛因斯坦發現質能互換的道理,一個單位含多少能量,照道理可用普朗克常數來表述。這個常數是跨越時空不變的數值。這樣,同樣單位的質量(重量),就不用依靠經常變動的金屬重量來表述了。全球各地科學家數十年來辛苦設法衡量普郞克常數,終於獲得禁得起科學考驗的結果。重新定義的公斤,不會影響你家浴室的體重秤,但對需要精密測量的學術界與工業界,卻具有很實用的效果。

60多國科學家的票決只是一個形式,因為大家都知道提案一定會通過。但是,對領導重新定義公斤的美國科學家普拉特(Jon Pratt)來說,此舉象徵人性的昇華。普拉特說,大家同意這新定義, 表示人類承認一個不變的真理:自然律是所有人類非臣服不可的東西。科學家每次更進一步了解自然律,對改善這個世界,就更有作用。

度量衡 隱形基礎設施

度量衡是人類社會的「隱形基礎建設」:鐘表顯示時間、預測天氣、煮飯、發射火箭、簽定商約、發動戰爭……無不需要用到度量衡。

目前通用的國際單位制度(International System of Units)源自啓蒙時代西班牙、英國和荷蘭人做生意常起糾紛。直到1875年,公制條約(Treaty of Metre)簽定後,一公尺和一公斤,才有了「國際標準」。隨著科學與貿易的進步,國際單位制也擴大了各種測量單位,也更加精準地定義度量衡的單位,例如 ,公尺的定義改為真空狀態光在299792458分之一秒到達的距離,秒的「長度」則緊跟銫(cesium)元素的輻射周期決定。這些新的「定值」,包括光速、原子運動、電子磁場,是自然界的基本法則,不隨觀測者的時空而改變,不管你在地球或火星,1875年或2018年。不像人類自己定義、創造的公斤,大受人類自己的限制。

139年來,那塊定義公斤的金屬,被拿出來公開「比對」不到12次,1980年代那次,它秤起來少了幾公克,害所有製造商都得重新標誌產品重量,廠商自然罵聲不斷,立法諸公諸娘忙上忙下協調,氣象業者被批無能透了!

因此,2014年國際度量衡標準局年會,才決定設法重新定義公斤, 但是,普朗克常數的數值當時仍無法確定。

新定值 誤差<0.000002%

100多年前,普朗克量子物理發現能量是由不同單位,亦即「量子化」的形式表現。但是足以形容這些「能量包」的數值很難抓準。要透過實驗裝置測量該數值,只有兩個方法,而兩個都很昂貴。第一個是設法數數看完美圓形矽球內全部原子有多少。第二個則是使用「瓦特平衡稱」,計算舉起一件物品需多少力量。這可是非比尋常的稱子。兩位英國科學家費時數十載才研發修訂完成符合標準局嚴苛要求的工具。現在,這兩個公斤標準秤,一個在加拿大,一個在美國。

因為,2014年標準局會議要求,能夠定義公斤的工具,必須把普朗克常數的不確定部分測量到10億分之20,也就是誤差限在0.000002%以內!

普拉特團隊在2017年6月30日,也就是標準局截止日期前一天,提出報告,說他們的機器設備測量出不確定部分僅10億分之13,也就是6.626069934x10-34kg:m2/s。這個數值對一般人來說,簡直難以體會,但對普拉特來說,「彷彿宇宙的布幕被掀了開來」,讓我們看到「宇宙最核心的運作」。加拿大瓦特平衡秤的研究團隊所測出的普朗克常數,不確定部分甚至比普拉特團隊的還低。德國和日本研究人員運用矽圓球技術,也獲得精確度相當的成果。測量界當然也一再辯論甚至爭論怎樣測試,才是「精準無疑」的普朗克常數。也唯有經過不斷的觀察、反駁、確認,才能讓一個觀念變成普世接受的事實。也唯有如此,

國際度量衡標準局一個「公斤」的原型複製品,玻璃罩裡這個高爾夫球大小的原型即將退休。(美聯社)

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