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。

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

編譯:蘇睿哲