阿志的網路筆記

鉅亨看世界－等待公斤
鉅亨網
2008 / 06 / 02 星期一 18:00  

    
在超過一世紀前，以鉑和銥打造的「完美」千克原器，成為了舉世衡量一公斤重量的標準。然而，這個儲存在美國Maryland州Gaithersburg市地下40呎深，儲存在恆溫恆濕控制保險箱內，大小如一杯義式咖啡的鉑銥合金圓柱－「第20號公斤」卻只是「近乎」完美。
 
《Los Angeles Times》 報導，在 100多年前，「20號」和其他的公斤原器在法國被製造出來。然而隨著時間過去，這些圓柱體間出現了細微的差異，平均差大概在50微克(百萬分之一公克)，約一粒細鹽的重量。 

在講求精確的物理界，度量重量、重力的標準公斤，就和測量電力的安培、質量的摩爾，和量子力學的代表－普朗克常數 (Planck's constant)一樣。但也因公斤的標準概念如此普遍，以至於如何定義 1公斤有多重？恐怕沒人知道。 

美國國家標準和技術研究院(NIST)是負責保存管理第20號公斤的機構。其物理學家 Zeina Jabbour說道：「我該怎麼相信它？」
 

現在公斤是國際單位制中最後一個以物理物體為基礎的單位，其他單位如長度的公尺或時間的秒，都已經被科學家使用其他自然性質或科學常數來定義了。比如 1秒鐘是以銫分子的振動次數來定義的。
 

由於鉑銥合金的公斤原器難以保持絕對穩定的物理性，因此全球學者競相研究，想要嘗試用別的方式來重新定義。
 

18世紀時，全世界的重量單位及測量方式有數十萬種，光是法國境內就有25萬種不同的測量單位。 

美國 Northwestern University歷史學家Ken Alder說，啟蒙時代和法國大革命激盪出統一標準的想法，哲學家們認為，唯有人們也能自行計算物品的重量和價格，才有自由的可能。
 

法國政府首在1795年創造了「公斤」概念，將其定義為 1公斤蒸餾水在融冰溫度時的重量。1895年時，17個國家在國際權度會議上簽署了「公尺條約」，將公斤訂定為國際標準。
 

公斤的標準原器是枚 90%鉑與 10%銥的合金圓柱體，在1878年製造完成，稱之為「Le Grand K」國際原器。在它被製造出來的數十年間，又有90枚同樣的原器被製造出來送往世界各國，用以校準工業與科學領域的度量衡。
 

大約每50年，這些原器就要送回位於法國Sevres的國際計量局，與原始的國際原器做比對。在1950年左右的第一次比對中，科學家發現，國際原器與其他原器間，存在微小的重量差異，他們很關注這個問題，但不知道是為什麼。 

在科學家了解到原器重量不一致的問題後，便嘗試以其他定義方式來取代這個人工製造的金屬塊。 

比如公尺的定義，在1889年至1960年間，是用鉑銥合金製成的國際公尺原器做標準，但在1960年後，則改以氪氣體發出光波波長的數倍為標準。到1983年，又改用光速為標準，以光速 1秒可行進 299,792,458公尺的距離，換算出 1公尺的標準長度。
 

在1990年左右，最後一次公斤原器比對後發現，有些原器重量已經增加了 132微克，有些則減輕 665微克。而保存在美國的第20號原器則重了18微克。 

可是，科學家們也無法斷定，到底是原始國際原器的重量變了，還是其他原器的重量變了。或許是圓柱體中的鉑吸收了環境中的水銀；或許是分解的氣體離開了圓柱；或許是用水和乙醚清潔圓柱，才改變了它的重量。但原因究竟為何無人知曉，這些都只是猜測。 

至少有 6個公斤原器已因戰爭、保存不良及其他原因而佚失。關於重新定義公斤，有 2派不同的新理論想法。其一是由趨近完美的矽球體中的20秭 (20兆兆；20億億億，1秭等於10的24次方) 個原子數量來定義；另一種則是測量可讓 1公斤重量與重力平衡所需的電流。但這兩種方式都各有複雜之處。 

在NIST裡，一個密閉房間外的角落中，主持公斤定義研究的物理學家 Richard Steiner拿出身上的皮夾、脫下手表，放置在一張木桌上。因為房內的磁場很強，能輕易消除信用卡磁條上的資料，或是停止手表的運作。
 

這位53歲、髮絲飄白的物理學家在23年前來到NIST，並在14年前加入此專案。他拉開厚重的門踏入房間，房間由光亮的銅板所保護，能隔絕無線電波與雷達，電線環繞在牆上。 

在房間中央嗡嗡作響的，是一台笨重的機器， Steiner希望能由此發展出新的公斤標準－一個雙層的裝置，中間放有一對超導磁石，大小像消防隊用的水管瞄子。 

這個機器名稱叫做「瓦特天平(watt balance)」，但 Steiner喜歡稱它為「我的 UFO」。
 

這個定義公斤的方法跟量子力學的普朗克常數有關。只要科學家有電流、磁場和普朗克常數這 3項資料，就可以精確計算物品的重量。問題是 Steiner的機器太敏感，遠方的地震、附近辦公大樓的汽車，還有潮汐都會晃動到它。會導致錯誤的因素來源約有20個，包括了空氣的浮力、電流外漏和局部地心引力的改變等。 

德國國家計量研究院物理學家Peter Becker的方法則較簡單：數原子。這個方法主要是透過計算某種特定元素的原子數量來定義公斤。 

Becker的希望寄託於 2個約槌球大小的銀色球體，它們是由最純的矽所製成，造價 320萬美元。它們是世上最圓的人造物，以30奈米的製程製造。 

63歲、留著灰色山羊鬍的Becker自1970年代起就參與 X光光學研究。而1990年代中期，公斤原器問題開始引起學界重視時，他和他的團隊就想到，他們的研究應該會有幫助。
 

原子本身的重量是無法單獨計算的。但Becker和他的團隊International Avogadro Project，使用 X光來得知原子間的距離。再參考該物體的重量和使用的雷射類型，就可以得知原子的數量： 1公斤的矽有約20秭個原子。
 

只是，這種計算方式需要非常規律的原子排列模式。後來他們選用了矽，就是因為矽原子的圓形排列模式接近完美。
 

在過去14年的實驗中，他們用天然矽製造了約20個圓球。雖然計算很精確，但仍然失敗了，大部份是因為天然的矽含有多種同位素，而它們的排列空間並不相同。 

後來他們了解到，材質愈純愈好，最好是完全由同一種矽所組成的晶體。 

俄羅斯核能部(Nuclear Ministry)與超純材質學院(Institute for Ultra pure Material) 製造出一種大型矽晶，而德國的水晶成長學院(Institute of Crystal Growth)將其重複融化以去除雜質，最後得到由99.99%矽28(最常見的矽同位素)所組成的晶體。 

在十數載的努力後，以上這兩種測量理論可說是精確得令人驚訝，但它們卻也難以證明其結果的精準度。 

各個鉑銥公斤原器與原始國際原器的差別平均為50微克。但在幾個月前，一個英國團隊自行設計的瓦特天平，所產生出的一公斤數值卻與此非常不同，沒有任何一個實驗室能解釋其原因。
 

其中的差異似乎讓Becker的原子計算理論更有希望。他說，團隊在明年使用新矽球體時，可以做更良好的計算。「我們的目標是將(不確定性)因素的影響減少到10種以下，並有信心可以做到。」不過瓦特天平也有它的優勢，若最終實驗數字可以信賴，各國並不需要自行製造超純矽球體做為新的標準原器。
 

因此，尋找如何定義公斤的任務仍在繼續。 

不過，就算任何一種理論成功，科學家們有朝一日仍會試著追求更精確的測量方式。就在 3月，NIST宣布了 2個新原子鐘的研發成功，它們的精確性凌駕目前的原子鐘之上。現在的原子鐘每8000萬年會慢 1秒鐘，而新原子鐘超過10億年才會慢不到 1秒。 

「永遠不可能完美。」 Steiner說。也永遠會有更精確的工具及研究在等待著科學家們。 


真是龜毛到不行的作學問功夫
不過也是因為這樣的堅持完美
科學才會一直進步


延申閱讀： http://203.68.20.65/science/content/1995/00010301/0016.htm