「1公斤」標準

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

王穎芝 2015年09月30日 

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！