單位革新：重新定義公斤

撰文｜蘇建翰

今年剛過去的5月20日是一年一度的世界計量日，聽起來似乎和自己沒什麼關係？先別走開，計量學裡的單位對於每個人的生活可說是相當重要。

「世界計量日」紀念著一百四十年多前簽定的《米制公約》(Metre Convention, 1875)，自那時起逐漸確立了國際統一的度量衡系統。2019年世界計量日打出的口號是「基礎更為穩固的國際單位制」(“The International System of Units – Fundamentally better”)，之所以說是「基礎」，是因為從這一天起，幾個基本單位的新式定義就正式上路了。

●單位——不起眼卻又不可或缺

伴著國際間交流、全球化的發展，各種區域、領域間的單位系統也應運而生，最後發展為現今的國際單位制(International System of Units, SI)。綜觀這個一統單位的過程，其實某程度上也描繪了人類觀察這個世界的眼界的擴張。從最初的長度和質量，依序加入時間、電流，發展到目前為止，SI由七個基本單位組成，分別描述長度(公尺, m)、質量(公斤, kg)、時間(秒, s)、電流(安培, A)、溫度(克耳文, K)、物量(莫耳, mol)以及發光強度(燭光, cd)。

因為這些基本單位，以及它們的精確程度，讓生活變得更加便利。舉例而言，當你使用導航去某個陌生地點時，GPS服務便仰賴著同步時間，來計算用戶所在的位置；製造藥品時，每份藥物重量通常都非常小，精確的質量單位能確保藥物裡各成分比例的穩定；研究氣候系統時，短時間內的均溫變化相當微小，準確的溫度單位能幫助我們更好地監控氣候的變化。

●碩果僅存的人工造物標準——公斤原器

還記得那朵小王子悉心照料，一度被保護在玻璃罩下的玫瑰花嗎？如果你擁有真正珍貴而脆弱的事物，那麼把他們罩在玻璃罩下的確是個好主意——至少位在巴黎的國際度量衡局(Bureau international des poids et mesures, BIPM)就是如此保護著我們的國際千克原器，用的還是層層的保護罩，測量校準時需要三把鑰匙都到場才可動用。

作為最早發展出來的兩個公制單位之一，千克原器一直肩負著全球質量標準的責任，在SI制中是碩果僅存，由人工造物而非自然界常數來決定的單位。以存放在BIPM的鉑銥千克原器作為國際標準，各國的度量衡標準實驗室所存有的複製品(副原器)為國家標準，依序將這標準透過砝碼傳遞到各國的其他實驗室或者企業，這麼層層依序傳遞，並且定期校準的浩大工程，為的就是確保各地區的質量基準都是相同的。

由於標準在傳遞的過程中，可能會產生誤差，因此，作為標準源頭的千克原器的正確性更為重要。歷史上對於千克原器的校準測量總共進行了四次，最近兩次分別為1993年和2014年，1993年的測量發現公斤原器的質量以每世紀50微克的速度衰減，然而2014年再度測量卻發現這個趨勢消失了，原因為何仍是個謎，卻鄭重提醒著我們，尤其是對於那些需要精準測定的領域，利用人工造物作為單位基準所帶來的不確定性。

目前質量標準的使用與傳遞已行之有年，但由於人工造物所帶來的不確定性，計量學者們開始尋求替代方式，最後在2018年決議改由量子力學中的普朗克常數來決定質量標準，且於今年的世界計量日正式上路。除了公斤以外，安培、克耳文以及莫耳數的定義也都有相關的改動，這些改變在科學家的努力下，對於日常生活的影響皆微乎其微，所以不須擔心一覺起來站上體重機會不會被增胖或被減肥。

新制下的公斤可以透過瓦特天平(Kibble balance)，利用重力和電磁力間的平衡來決定質量；另一方法則是X光晶體密度法(x-ray-crystal-density method, XRCD method)，先依特定標準打造矽晶球，再去計數球體內部的矽原子數目乘以矽原子的質量便可以決定質量，這同時也是決定莫耳數的方法之一。新制施行後，各地的標準實驗室可以自己打造實驗來實現公斤的定義，逐漸脫離對千克原器的依賴，目前台灣的國家度量衡標準實驗室決定採用的方法便是X光晶體密度法。

●千克原器們的待退生活

雖然新制的公斤定義已經正式上路，不過千克原器們還不能拍拍屁股走人，迎接退休日子的到來之前得好好交接。接下來的幾年內，各地的千克原器們會依現況保存著，與透過新制得到的標準互相進行校正，尤其是BIPM裡超過一世紀歷史的千克原器具有測量學上的價值，因此可得在那雙層玻璃罩下繼續待上好一陣子。

新制的施行代表現有的基本單位全都由自然界的常數來決定，去除人工造物對於科學計算帶來的不確定性，幫助我們對於這個世界的理解免受時空變化的影響，這次的改變或許微乎其微，但卻標誌著人類文明新的篇章。

參考資料：

[1] The International System of Units (SI)
[2] 質量的單位：千克(kg)
[3] Kilogram: Silicon Spheres and the International Avogadro Project

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作者：蘇建翰，目前就讀於台灣大學電信所碩士班，期待能透過自己的一點心力， 將各領域的有趣發現分享給大家。