F a c e b o o o k

/共發表46篇文章
Print Friendly and PDF 

人類將重新定義公斤 從此宇宙間牛扒質量都相同

  撰文者:  2016-12-02
  點閱次數:2740


我們去街市買牛肉時,都是量度肉的質量去計算價錢的。質量的單位必須準確,我們才能知道有多少牛肉。現代,我們使用國際單位制(Système International d'Unités, SI units)制定的公斤(kilogram, kg)作為量度質量的基本單位。

不難想像,這種國際公認的度量衡,需要一個不會改變的標準:上星期賣的一公斤牛肉與明天賣的一公斤牛肉必須擁有同等質量、你在台灣買的一公斤牛肉與我在德國買的一公斤牛肉亦必須擁有同等質量。

在巴黎近郊的國際計量局(Bureau international des poids et mesures, BIPM)實驗室裡,收藏著一個137 年前製造的金屬圓柱體。這個圓柱體是人類對一公斤的定義。在宇宙任何地方,當你測量質量時,都必須以這個放在銀河系之中一顆不起眼的恆星旁的一個行星上的一個城市之中的實驗室裡的一支金屬圓柱體為標準。

[放在巴黎的法國科學工業城(Cité des Sciences et de l'Industrie)裡的公斤定義金屬圓柱體複製品。Image courtesy of Japs 88/Wikimedia Commons]

很明顯,這即使對地球人來說也並非一個太方便的定義,更遑論為客觀的科學標準。這金屬圓柱體縱使被密封於實驗室裡接近真空之中,細小的微塵、侵蝕等效應亦有可能改變其質量,而且更有丟失的危險,其複制品也不可能做到百分百相同質量。美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)物理學家Stephan Schlamminger說,如果我們有朝一日與外星人交流科學,這個金屬圓柱體將會成為「銀河系笑話」。

其實使用實際物件去做成度量衡的標準,在從前是必需的。以前科學並未發達的時候,我們並不知道物理定律之中藏著一些永遠不變的物理量。例如,古時人們就以人類身體部分尺寸作為長度的標準。

如今,我們發現宇宙中存在一些基本常數(fundamental constant),這些物理量的數值不論何時何地何人測量,亦是固定的。最常聽說的有光速(speed of light, c)、電子的基本電荷(elementary charge, e)、量度量子單位的普朗克常數(Planck constant, h)、量度溫度單位的波爾茲曼常數(Boltzmann constant, k)、量度原子數量的阿伏加德羅常數(Avogadro constant, NA)等等。

[七個基本常數(灰色)如何定義七個基本單位(彩色)。Image courtesy of Wikipetzi/Wikimedia Commons]

國際單位制採用十進制,有七個基本單位。米(metre, m),量度長度;秒(second, s),量度時間;公斤,量度質量;安培(ampere, A),量度電流;開爾文(kelvin, K),量度溫度;摩爾(mole, mol),量度粒子數量;坎德拉(candela, cd),量度發光強度(luminous intensity)。只用這七個基本單位,就能夠描述所有已知的物理量。

時間和距離,可說是最基本的度量衡概念。在中世紀,一秒定義為一個太陽日(solar day)的1/86,400,即相鄰兩個正午的1/86,400。可是,由於地球繞太陽公轉軌道並非正圓,太陽日於一年不同季節之長度並不相等。1956年,一秒被重新定義為一個回歸年(tropical year,亦稱太陽年solar year)的1/31,556,925.9747。回歸年指太陽重新回到天空同一點所需時間。雖然使用回歸年定義一秒比用太陽日更加準確,但由於地球自轉軸會進動(即歲差),加上其他天體動力學效應,每個回歸年亦非一樣。

可想而知,使用地球和太陽的運動去定義時間單位,並非全宇宙通用。最終在1967年,一秒被定義為銫(caesium, Cs)原子基態的兩個超精細能階(hyperfine energy level)量子躍遷所釋放之電磁輻射的9,192,631,770個週期之時間長度。銫原子基態的量子結構在宇宙何時何地都不會改變,因此這是一個可以用來跟宇宙中其他文明交流科學知識的客觀定義。

 [科學家在1874年製造首個定義米的金屬棒。Image courtesy of Wikimedia Commons]

 

另一個已被客觀永恆不變的物理概念定義的基本單位是米。在1793年,科學家把一米定義為穿過巴黎的子午線(即經線)由赤道到北極的1/10,000,000。這個距離不易量度之餘,地殻板塊運動也可能改變其值。1889年,一米被定義為一個放在巴黎國際計量局裡的鉑(platinum, Pt,即白金)金屬棒的長度。這個定義方法與公斤的定義一般,都依賴放於巴黎國際計量局裡的實物。

科學家希望用客觀概念定義長度。1960年,一米的定義被改為氪(Krypton, Kr)原子在真空之中兩個能階之間的量子躍遷所釋放之電磁輻射波長的1,650,763.73倍。這個定義就像使用銫原子的量子躍遷去定義一秒,其實已經足夠客觀。不過科學家更進一步,最後於1983年把一米定義為光在真空中1/299,792,458秒內行進的距離。這個定義不但無需使用某一任意元素,而且更反過來定義了光速。在此之前,光速的數值是用實驗測量出來的,存在實驗不確定性;現在,光速是被定義出來的,其數值為每秒299,792,458米。

普朗克常數大約是h= 6.62607x10-34 kg m2/s。科學家預期能在2018年前把h準確測量至200萬分之1個百分比。然後,就像定義光速一樣,普朗克常數會反過來被定義。由於h的單位包括公斤、米和秒,而米和秒已被上述方法客觀定義,因此固定h的數值就等於客觀定義公斤。

[使用瓦特磅(Watt balance),科學家能夠非常準確地測量普朗克常數,並反過來重新定義公斤。圖中是Stephan Schlamminger研究團隊製造的瓦特磅。Image courtesy of J. L. Lee/NIST]

如果使用不同方法得出的h值互相吻合,聯合其他基本常數如cekNA等,科學家將會於2018年國際計量大會(Conférence générale des poids et mesures, CGPM)上投票決定是否更新公斤、安培、開爾文和摩爾的定義。

無論結果如何,以上所講都不會對任何人的生活造成影響:牛扒不會變輕、我們也不會變瘦。使用宇宙通行的基本常數去定義各度量衡單位,是科學文明的一大進步。因為科學研究,應建基於客觀的、可重複的實驗結果之上。


延伸閱讀:Units of measure are getting a fundamental upgrade

https://www.sciencenews.org/article/units-measure-are-getting-fundamental-upgrade

作者:余海峯 博士

 



Search