自法国大革命以来最伟大的度量衡革命

5月20日除了是总统就职第三年,也是新度量衡制实施的第一天。法国凡尔赛举行的第26届国际度量衡大会,由60个成员国进行历史性投票,通过将国际单位制(International System of Units)中4个基本单位,即公斤、安培、克耳文、莫耳,重新以自然界的基础常数定义,在2019年5月20日生效。

18世纪以前,全世界并没有通用的统一单位,直至1795年,法国大革命爆发后第6年,由法国率先以律法基础定义了公制,并在1799年制作了铂金米及铂铱公斤原器。1869年,拿破仑三世为宣传国内公制,批准成立国际科学委员会,用以促进贸易并比对国家间的度量衡,由此诞生了第一个国际米原器。

当时1米的定义是地球赤道到北极点距离的一千万分之一,此后国际米原器沿用至1960年,才改成以氪原子在真空的能阶跃迁波长定义。接着1983年,国际度量衡大会因氪原子不易取得而改用光速定义米,最终以光在“真空”行进299,792,458分之一秒的距离定为“1米”,这也是SI基本单位的定义首次以一个物理常数为基础。

往后渐渐所有SI基本单位都以物理常数定义,并逐项修改及逐项生效,唯有公斤原器仍然存在。直到2011年,巴黎的原始国际公斤原器(一般以大写K表示)的重量竟然在检查及清洁时发现又减少了约50微克(5×10╶⁸公斤),且这已经发生很多次了,为了保证质量的定义不能随时间或其他因素变动,故该年国际度量衡大会以全体在场55位代表一致赞成的票数,同意利用物理常数重新定义公斤,于是在2014年以瓦特秤(后因发明者2016年去世改名为基布尔秤)实验测量精准的普朗克常数,并在2016年决议将普朗克常数定为6.62607015×10╶³⁴kg‧m²‧s╶¹,并以此定义公斤。

实现普朗克常数所定义公斤的方式有两种,一种为基布尔天平(Kibble balance);另一种则为X光晶体密度法(XRCD method),就是晶体硅球法。图中为台湾工研院引进之公斤标准晶体硅球。(图片来源:科技新报)

经过4个以上可信机构提交准确数据,且精确度必须精于5×10╶⁸公斤,故新的公斤定义改变了,2018年11月16日,7个基本单位的定义都与物理常数联结并废除1990年公约,其余导出单位如牛顿、焦耳、帕斯卡……等,与公斤相关的也全部更新,并于5月20日实施。