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科學家通過「公斤」新定義 普朗克常數作標準 減少誤差

【明報專訊】全球約60名科學家昨日在法國巴黎舉行的國際度量衡大會上,投票一致通過不再以沿用了過百年的一個合金圓柱體來定義「公斤」,改為以物理學中的「普朗克常數」(Planck constant)作為公斤的新標準,原因是位於巴黎的合金圓柱體隨着年月,重量正逐漸減少,希望新方法能得出更精準和穩定的質量測量。雖然這種誤差對日常生活影響不大,但若誤差繼續擴闊,對依賴細微測量的科研、醫藥或工程等範疇有實際影響。

舊公斤原器為鉑銥合金

自1889年以來,全球均以一個由90%鉑(platinum)及10%銥(iridium)組成的「鉑銥公斤原器」(IPK)作為1公斤的標準。這個高和直徑約4厘米的圓柱體暱稱為「大K」(Le Grand K),有不易膨脹與氧化的特性。

「大K」一直存放在巴黎近郊的國際度量衡局(BIPM)一個3層密封玻璃罩內,平時不會任意取出,需要3名保管者各自持有的鑰匙才能打開密封罩,一般只有在各國原器複製品需要校準時才會取出。全球不少國家都有「大K」複製品,每隔約40年,這些複製品就要送回巴黎,以便與「真身」校準。

質量漸減少 影響科研

不過,科學家發現,理應維持質量不變的公斤原器,因受到灰塵及空氣等影響,重量不再穩定,2007年檢查時發現它在質量上少了約10億分之50克,相當於一根眼睫毛的重量。這雖看似很微小,但足以影響精確運算。英國國家物理實驗室質譜專家戴維森(Stuart Davidson)說:「從科學角度來看,這是不可接受的。即使大K目前符合標準,但100年後不會。」

新系統計算提升物件的力量

為了更準確和穩定衡量公斤,科學家2011年考慮不再以實物作為質量標準,改以普朗克常數來定義公斤。普朗克常數是一個物理常數,用來描述量子大小。要計算普朗克常數的數值,其中一個方法是「基布爾秤法」(Kibble balance),透過計算提升物件所需的力量來量度其質量,做法是在天秤一端放一件電磁鐵,另一端是1公斤砝碼,量度要加強多少電流才能令電磁鐵向下,以與砝碼達到平衡,其誤差度只有0.000001%。

英國國家物理實驗室的魯賓遜(Ian Robinson)表示,採取這個新系統後,以後各國毋須每隔數十年將大K複製品送回巴黎核對,人們可用「基布爾秤法」在任何時間和地方測量1公斤的標準。

今次大會通過更改重量量度標準,意味着在明年5月起,所有量度單位如長度、時間、溫度等都將按照大自然常數來量度,減少誤差。

(BBC/華盛頓郵報)

相關字詞﹕國際度量衡大會 標準 普朗克常數(planck constant) 定義 公斤 鉑銥公斤原器

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