科學家的噩夢：世界通用的「1公斤」縮水了

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它變，全世界都得跟著變！科學家的噩夢：世界通用的「1公斤」縮水了

電腦模擬的國際公斤原器。（圖/維基百科）

    什麼都不做就改變體重，大概是許多人的夢想，但如果體重上升的話，恐怕就變成噩夢。現在科學家也有個噩夢，那就是，1公斤可能不再是1000公克！

大K的傳說：只有3位科學家碰在一起 才能把大K拿出來

我們熟悉的「公斤」，其實在 100 多年前才被定義出來，原本的定義是攝氏 0 度時，1000 毫升的水等於 1 公斤，但是水的密度會隨溫度改變，純水也很難取得。1889 年，國際度量衡大會（CGPM）打造了一個鉑銥合金的圓柱體，稱為國際公斤原器（international prototype of kilogram，簡稱IPK），它的重量，從此就是世界通用的「 1 公斤」，也是世上唯一還在用實物當成標準的國際單位。

我們都很依賴體重計，但它現在有麻煩了！（圖/Pen_Waggener@flickr）

和高爾夫球差不多大的公斤原器，被科學家暱稱為「大K」（Le Grand K/Big K），大K 有 40 個「同胞手足」，被送到世界各地給人們當成標準，每隔許多年會拿出來校準，為了排除所有會影響大K重量的因素，大K 被鎖在巴黎近郊國際度量衡總部的三層真空玻璃罩裡，只有分別握有鑰匙的三位科學家聚在一起，才能把大K拿出來。百年來大K 只跟手足聚首過 3 次，科學家幾乎不敢碰觸，連清潔也要利用蒸氣。
大K的煩惱：差一點，就差很大！

可是這樣重重保護下，大K 還是縮水了！ 隨著科技日新月異，1992 年科學家不安地察覺——不知道是「手足們」變重，還是大K受損，幾經校對之後，大K的體重竟然減少了 50 微克！也就是說公斤原本等於 1000 公克，現在等於1000 公克減去 50 微克。

嚴密保護下的大K（圖/維基百科）

50 微克有多重呢？其實，大概就是一粒沙子的重量。只是一粒沙子的重量，為什麼科學家要這麼緊張？

原來，「公斤」代表著質量單位，和公斤相關的測量單位非常多，例如力學單位「牛頓」，它的定義就是「使質量 1 公斤的物體擁有 1 m/s2 加速度的力」。牛頓也拿來協助定義壓力單位「帕斯卡」。還不止這樣，能量單位「焦耳」的定義也跟牛頓有關，焦耳又被用來定義電力的單位「瓦特」，瓦特又是亮度單位「燭光」定義的一部份⋯⋯總而言之，如果讓質量單位隨著大K 一起縮水，這些測量單位統統會跟著改變！

這樣的巨變簡直就是蝴蝶效應，除了學術研究之外，醫學界、工程界⋯⋯講求精密測量的科學科技全都得跟著改變，那會是多可怕的災難？因此，一定要找個方法重新定義「公斤」，但又不會影響到現行的標準。
讓大Ｋ功成身退的方法：天平還是矽球？

從實物標準，轉化為不易改變的物理量標準，人類已經有了經驗，「公尺」的定義過去也是依照一條鉑銥合金棒子的長度，1983 年之後就改為「光在真空中前進 1/299,792,458 秒的距離」。看起來比較複雜，但才能確保這個標準不易變動。

這就是曾經當作「公尺」標準的國際米原器。（圖/維基百科）

面對大K 的問題，科學家已經找出兩個可能的解決之道，其中之一就是一顆同為 1 公斤的漂亮矽球。

這顆矽球由「矽 28」組成，矽 28 是矽的同位素中最穩定的一種，多虧半導體工業的高度發展，科學家已經有辦法製造純度非常高的矽球。但是，並不是要用矽球取代大K，而是計算球裡面的矽原子數量，就像計算口香糖機裡面有幾顆口香糖球一樣，一公斤的矽球裡面有幾個矽原子？算出來的答案，很可能就會成為新的「公斤」定義。

如果數矽原子能像數口香糖一樣簡單就好囉。（圖/Pen_Waggener@flickr）

數原子的方法屬於化學裡很重要的概念「亞弗加厥常數」，也就是「莫耳」。12 公克重的碳 12 裡，有著約 6.0221367x10^23 個碳原子，這個數量就是 1 莫耳，這個數值就是亞弗加厥常數。人類的技術無法測量 1 個碳原子或矽原子的重量，因此無論碳還是矽，其實都是估計值，只是矽 28 的結晶體近乎完美，每個原子所占空間幾乎相同，所以是目前測量出誤差值最小的方法。

這顆矽球號稱是世界上最圓的物體！（圖/截取自Youtube）

另外一派科學家，則希望可以使用「瓦特天平」來重新定義公斤，由於載有電流的線圈可以產生磁力，如果放上 1 公斤的珐碼，測量需要多少電功率才能與珐碼達到平衡，得到的能量數值也可以成為公斤的定義。

利用電流能量抵消重力再算出能量，也可以是定義公斤的方法。（圖/截取自youtube）

這個方法當然也有缺點，並不是每個地方的重力都一樣，而且瓦特天平可能受到震動、空氣浮力或電流外漏等影響，需要非常穩定的空間才能測量。所以現在國際度量衡大會仍然猶疑不定，還沒選出即將取代大K的方法。

你比較喜歡哪個方法呢？可以確定的是，幾年之內大K就要「退役」，不過憑它 100 多年來的功勞，恐怕還是逃不了被鎖在博物館罩子裡的命運！

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難以捉摸的準確一公斤單位，終於找出來了
七月 28, 2015 In: 地理新聞, 首頁展示

國際度量衡系統有一個重量問題——有一顆水晶球能夠提供解決之道。
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這個矽晶球體中有多少個原子？答案可能引出公斤的國際新標準。Photograph by Julian Stratenschulte, dpa/Corbis

一個多世紀以來，在法國薩弗瑞（Sèvres）的一座地窖中，一個如高爾夫球大小、上了鎖的圓柱體，確立了全世界一公斤（2.2磅）的準確質量。

國際公斤原器（International Prototype of the Kilogram）又被稱為大K（Le Grand K），是一個閃著微光的鉑銥合金物體，它是同類中碩果僅存的一個。其他所有的度量衡標準單位，都已根據固有自然常數而重新定義。例如，公尺原本是用一根金屬棒代表，但在1983年已被重新定義為1/299,792,458秒內，光在真空中運行的距離。

一群各國來的科學家希望公斤也可以如法炮製，並且一勞永逸地捨棄這些過時的方法，使全球的度量衡系統恢復平衡。上週，他們發表了一項研究結果，透過計算出最為精確的亞佛加厥常數（Avogadro’s number）——比宇宙的星星數量還更多的原子，或許可以徹底結束對新的重量的等待。而那個數字是原子世界與可見世界的橋梁。
公斤不可思議地縮水

大K的誕生故事，聽起來像個童話。圓柱形的人工製品是在國際度量衡大會（CGPM）的指導下鑄造的，大會在1889年如皇室般下令：「從今以後，這個原器應被視為質量的單位。」

一個多世紀以來，這個公斤被封在國際度量衡局的三個玻璃鐘罩裡，保護它不受灰塵、濕氣、指印和其他外來世界的污染損壞。只有三個各有一把鑰匙的保管者一起，才能取出大K。
世界最圓的物體


觀賞影片：凝視水晶球。這個矽晶球是世界上最圓的物體，可以幫助科學家解決公斤單位的問題。了解球體的製造過程以及它們為何是無價之寶的原因。

40個一模一樣的仿製品被送往全球各地，以校準公斤的單位。這些圓柱體只重聚過三次，以進行比對。每一次，大K和它的雙胞胎們都被仔細地以酒精和乙醚擦拭，經過蒸氣清潔，然後秤重。1992年，科學家們不安地發現，大K不知為何變得比它的手足輕了一些。

沒有人確知到底發生了什麼事。而且因為大K的質量是和其他圓柱體比較量測而來，不清楚究竟是它的重量一直在下降，或是它在世界各地的其他仿製品不斷地在變重。或許，逐漸累積的污染物是原凶，例如從實驗室的溫度計中滲出的水銀。有一個研究人員甚至為了試圖解決這個問題，因此創造了清潔圓柱體的新標準作法：使用紫外線。

「我們很怕碰到它，」史蒂芬．施納格（Stephan Schlamminger）說，他是美國國家標準技術研究院（U.S. National Institute of Standards and Technology）電子公斤計畫的首席科學家，「可能會擦掉一些原子或什麼東西」。
摩耳人

雖然重量的差異很小——大約是50微克，或說是大約一粒小沙子的大小——但在講求精準的領域中，如醫藥界或工程界，這種不穩定是不被允許的，因為微小的差異可能會引發一連串問題。

更重要的是，這不只是質量的問題而已。許多其他的現象——力量、壓力和能量——都要靠公斤來計算度量。一個不斷變動的公斤單位，會導致其他類似的單位變得不能確定，例如瓦特和伏特。

終於在2011年，國際度量衡大會以全體55位代表一致贊成的票數，同意根據一個物理常數來重新定義公斤，計畫預定在2018年完成。其中一個正在研究的方法，會以一個根據亞佛加厥常數而來的單位取代大K。

亞佛加厥常數是以一個19世紀的化學家之名來命名，也被稱為摩耳——拉丁文的moles，是「一堆」之意，用來代表一群原子或分子集合體的詞。就像一打雞蛋代表有12顆雞蛋，或是一令紙有500張，1摩耳原子約有602,214,082,000,000,000,000,000個單獨的原子。

這個數字有多大？「把有亞佛加厥常數那麼多的棉花糖，均勻鋪在全美50州，會產生一張逾97公里深的棉花糖地毯，」1978年《化學教育期刊》（Journal of Chemical Education）的一篇文章提到。

化學家利用亞佛加厥常數，將原子等級的尺寸轉換為公克。

那樣的關係可以用來確定公斤的質量。
計算亞佛加厥常數

為了計算亞佛加厥常數，研究人員需要一個產生完美晶體的物質，裡面每個原子占的空間大小完全相同。

那個物質就是矽。科學家計算了一公斤矽的反射球體中的原子數。就像計算口香糖機裡的口香糖那樣，他們測量那個閃亮球體的大小，並算出裡面可以容納多少原子。

這個在《物理與化學參考資料期刊》（Journal of Physical and Chemical Reference Data）發表的結果，是有記錄以來最精確的亞佛加厥常數值，誤差只有0.000000018。

再過幾年，我們或許終於能讓大K功成身退。有沒有人需要紙鎮？

撰文：Maya Wei-Haas, National Geographic

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pineman 發表於 2015-10-1 20:58
難以捉摸的準確一公斤單位，終於找出來了
七月 28, 2015 In: 地理新聞, 首頁展示

世界最圓的物體－矽球