國際度量衡大會表決通過:以普朗克常數重新定義「公斤」單位

國際公斤原器(圖:國際度量衡局)

近日舉辦的國際度量衡大會(General Conference on Weights and Measures)已表決通過,將四個國際單位制(International System of Units),重新以自然界的基礎常數定義。新的定義將在 2019 年 5 月 20 日正式生效。改以這些基礎常數重新定義之後,將有更穩定的測量基準,並可用更精確的儀器進行測量。

度量衡革命

稍早在法國凡爾賽舉行的第 26 屆國際度量衡大會上,由該組織 60 個成員國進行歷史性投票,決議更改安培、公斤、莫耳、絕對溫度等四個原有國際單位制定義方式,重新以自然界的基礎常數定義,並藉此給予更精準的定義。

參與此次會議的科學家非常興奮。諾貝爾獎得主菲利普斯(William Phillips)稱此次更改是「自法國大革命以來最偉大的度量衡革命」。美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology)研究員普瑞特(Jon Pratt)表示,變更後將可使用原子尺度更準確的測量一切事物。

國際公斤原器

公斤是 1889 年定義的質量單位,一個多世紀以來,由保存於法國的國際公斤原器(International Prototype of the Kilogram,IPK)所定義,這是由不易氧化及膨脹的鉑銥合金製成,平時放在真空封存的三層玻璃罩內,並放置在需要三個鑰匙的保險箱中,鑰匙由三個人負責保管,每隔約 40 年會取出一次提供各國 IPK 複製品進行校正。目前只有公斤是唯一仍用實體定義的基本單位。

根據近年的量測顯示,IPK 重量已減少約 50 微克。經過全球國家度量機構數十年的討論和研究,決定捨棄實體的 IPK,改以普朗克常數(Planck constant)重新定義公斤單位,其定義比 IPK 至少穩定 100 萬倍 。國際公斤原器功成身退之後,科學家將對其繼續研究,以了解為何重量會逐漸減少。

普朗克常數是一個由質量(公斤)、長度(公尺)和時間(秒)決定的物理常數,因為公尺與秒分別能以光速和銫元素的能階振盪週期定義,因此可以反推出公斤的定義。而公斤將定義為「對應於普朗克常數為 6.62607015×10-34 kg m s-1 之質量單位」。

除了公斤之外,其他三個國際單位,電流單位「安培」將以基本電荷定義、溫度單位「克耳文」將以波玆曼常數(Boltzmann constant)定義、物量單位「莫耳」將以亞佛加厥常數(Avogadro constant)定義。經歷此次修正後,所有七個國際單位都已由自然界的常數定義。

用電磁力測量質量

目前的公斤質量是指以地心引力施加特定的力,修訂後的定義改用電磁力取代機械力進行測量。因此未來將以基布爾秤(Kibble balance)測量。基布爾秤是一種以電磁力精準量測物體質量的儀器,可測量出多少電流產生的電磁力,才等同於作用在給定質量上的力。

穩定精確的測量

此次變更將讓測量更加精確穩定,也將更容易測量微小質量。普瑞特表示,在此次變更中最快受益的產業可能是電子業和製藥業。製藥公司研發藥物時需要測量微量級的質量,以量子方式重新定義公斤,將有助該產業在藥品設計和研發所需的測量精確度,並能減少不確定性。英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory)研究主任揚西奧多揚森(Jan-Theodoor Janssen)也表示:「這將為更精確的測量鋪路,並為科學奠定更穩固的基礎。」

將四個國際單位制重新以自然界的基礎常數定義,有助於引領科學界、工業界、氣候研究及其他領域的創新,也將減少科學研究的不確定性,而一般民眾不會感覺到變化。

 

參考資料:

  1. Yirka, B. (2017, November 9). Four base units of measure in the metric system about to be changed. Phys.org
  2. Resnick, B. (2018, November 14). The world is about to redefine the kilogram. VOX
  3. Banks, M. (2018, November 16). Kilogram finally redefined as world’s metrologists agree to new formulation for SI units. PhysicsWolrd
  4. The Associated Press (2018, November 16). ‘We future-proofed the system’ as key measurement units get new definitions. CBC News
  5. Huergo, J. (2018, November 16). Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. NIST News
  6. Conover, E. (2018, November 16). It’s official: We’re redefining the kilogram. Science News
Kyle
編輯,臺灣科技大學材料科學與工程系學生,平日喜歡閱讀、騎車,衝浪。

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