2017 二月號
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第135期電子報  出刊日期:1060215


科學新文摘

 

和百年公斤原器說再見!七大國際單位制將改頭換面

2018 年秋季起,一公斤將可能不再是我們熟知的一公斤,一公尺也不再是一公尺,這並不是在暗示你的身高體重又隨著年歲的變化,而是我們的七大國際單位制又有機會更新啦!這對整個科學界來說,可能是比諾貝爾獎更激動的大事件啊!

雖然 iPhone 幾乎每年推出新版本,微軟也在三十多年之間從 windows 1 一路更新到了 windows 10,不過軟硬體規格不合,勉強能靠著轉接頭、發布更新檔湊合著用,但度量衡這種涉及全球各行各業的標準,不能說改就能改的,每次要更新都得從長計議。

原本科學家將質量、長度、時間、電流、溫度、物質量、發光強度,這七個物理現象的單位定義為「公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)和燭光(cd)」而根據國際度量衡委員會(CIPM)提出一份新草案,將除去國際單位制中科學家所假設的數值,全部改由自然界的基礎常數來訂定,一但通過後,期盼讓整個世界的測量系統都將變得更加精確。

我們原本用的單位從哪裡來?

國際單位制(法文 Système International d’Unités,簡稱 SI)可說是全世界測量系統的基礎,此制度最早源自於 1799 年法國大革命時期科學家所發展的「公制」,經過 1960 年第十一屆國際度量衡大會修改調整後,推薦給全球使用,再經過一次次更新,成為我們現在的國際單位制。

目前七大國際單位制當中,有六個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有一個單位可以用實際物體來表示,那就是「公斤」。(不過在 1960 年以前,公尺也有一根實體棍子來代表喔!)

一公斤到底是什麼呢?一般人可能會直覺回答:「1000 公克?」,但實際上能堂堂正正喊出「我就是童叟無欺的一公斤」的最高權威,是一塊放在法國巴黎近郊的國際標準局(BIPM)保險箱的標準砝碼「國際公斤原器(International Prototype of the Kilogram,簡稱 IPK)」。

IPK 是由 90% 鉑(platinum)及 10% 銥(iridium)打造,大小大概如高爾夫球的鉑合金直立圓柱體,平時放在真空封存的三層玻璃罩內。全球還有許多 IPK 的複製品,作為各國自己校正單位的標準,例如台灣在 1995 年向 BIPM 購買的編號第 78 號「鉑銥公斤原器」,保存於在新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」中,每十年送回 BIPM 追溯一次。還有另一件可以提到的原器複製品是自日治時期留下,現在收藏在高雄科學工藝博物館

國際公斤原器的電腦示意圖。圖/由en:User:Greg L - Originally uploaded to English Wikipedia as CGKilogram.jpg,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2547913

國際公斤原器的電腦示意圖。圖/Greg L, CC by 3.0, wikimedia commons.

雖然巴黎的 IPK 號稱是正港的一公斤。但即使選用不易膨脹和氧化的材質,收藏環境也受嚴密監控,IPK 還是個會隨著時間逐漸發生變化的「凡物」,包含灰塵、濕氣或觸摸時的油汙都會影響它的質量。事實上它可能已微量的發胖了,這讓科學家們有點尷尬啊,因為他們的研究結論常常是建立在永恆不變的單位上頭。

所以新單位會變得怎麼樣呢?

預計到了 2018 年第 26 屆國際度量衡大會,國際度量衡委員會的草案內容仍會維持「公尺(metre)、公斤(kilogram)、秒(second)、安培(ampere)、克耳文(Kelvin)、莫耳(mole)和燭光(candela)」七大單位,讓 SI 在不用大規模更動的情況下,確保當前測量方法的連續性。

其中變化最大的,當然是最後一個使用實體標準的「公斤」,因為科學界將放棄末代小金屬圓柱(IPK 哭哭),改用普朗克常數定義。

普朗克常數用來描述電磁波能量和頻率之間的關係(普朗克-愛因斯坦關係式 E=hν。其中,E 是能量,ν 是頻率和 h 是普朗克常數)是科學中最重要的數字之一,但非常難測量。物理學家們花了二十多年,尋求各種可斷定普朗克常數的方法,其中包含瓦特天平器(Watt Balance)。

近期任職於美國國家標準與技術局(NIST)的物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)團隊宣布已取得初步成果:他們把已知質量的物體擺在瓦特天平器的一端,另一端則對線圈施加電流產生機械力,與物體因重力下拉的力達到平衡。從電磁力算出普朗克常數的值後,再透過質能互換公式「E=mc2」求得質量,精準度可達 3.4×10-8。該團隊預計 2017 年 7 月會再次公布他們獨立測量的結果。

等到 2018 年國際度量衡大會從各團隊測量出的數值中,正式挑出一個最準確的版本為最終值後,IPK 就可以退休了。

圖片來源:Richard Steiner@wikipedia, by CC 3.0

美國國家標準技術研究所的瓦特天平。圖片來源:Richard Steiner@wikipeda, by CC 3.0

另一個測量電流的單位「安培」,目前定義為真空中,兩條無限長、無敵細,且相距一公尺的平行導線通過恆定電流時,兩者交互作用所產生某一程度的力,就是一安培。但……無限長、無敵細的導線在現實中根本不存在啊,換掉換掉,改用可以真正被測量的基本電荷吧!克耳文和莫耳也將分別從水的三相點及相對原子質量,改由明確的波茲曼常數(Boltzmann constant)和亞佛加厥常數(Avogadro constant)來定義。

原本就以自然常數定義的公尺、秒和燭光,只需要根據新草案調整一下當前的數值。完整的單位制度變化可見下圖:

七大國際基本單位的新舊制比較圖。圖片來源:Emilio Pisanty@Wikipedia

2018 年新單位制通過後,國際單位制的定義將從左圖改為右圖。圖/Emilio Pisanty@Wikipedia

「說了這麼多,所以對我會造成什麼影響嗎?2018 年過後,我的身高可以從表定 160 公分灌水成 180 公分,或是體重(名義上)瞬間少十公斤嗎?」

呃……確實不會。但對科學界來說,準確的單位制度可是物理學研究的基礎,而新單位制度也是建立於最新的科學研究上,包含量子機械法則及相對論等。新制度上路後,只要沒有突然發現什麼新的自然常數,研究人員就能放心使用好一陣子啦。

 

參考資料

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/111737

 

活動訊息_圖示

十二年國民基本教育普通高中課程規劃及行政準備手冊歡迎下載使用

國家教育研究院於105年12月正式出版《十二年國民基本教育普通高中課程規劃及行政準備手冊》,以簡約、清晰並具導引性的撰寫手法,以課程理念篇、課程發展篇、課務運作篇闡述新課綱之精神,強化學校教師之理解與轉化意識,為新課綱之落實做足準備。
希望能導引學校建立課程規劃及課務運作等層面的先備知識,內文也提供課程轉化相關的案例與建議,以協助普通型高中學校因應十二年國民基本教育課程綱要之實施。
 
國家教育研究院【十二年國民基本教育普通高中課程規劃及行政準備手冊】電子檔網路下載連結
http://12cur.naer.edu.tw/download/fileList 
歡迎下載運用。


台法科學家設計「類比黑洞」可望解答物理界40年疑惑

台大物理系及天文物理所教授陳丕燊與法國學者提出構想,利用超強雷射及奈米技術在實驗桌上打造「類比黑洞」,可模擬黑洞蒸發晚期、檢驗信息是否會隨「黑洞蒸發」而不見,可望解開過去40年來物理界之謎,成果登上國際知名期刊「物理論壇通訊」。

過去數十年,物理學界對於「黑洞蒸發」是否會導致宇宙信息遺失,一直有不同看法,但都難以驗證。

陳丕燊解釋,英國學者霍金(Stephen Hawking)在1974年結合廣義相對論與量子場論,發現「黑洞蒸發」效應,自此之後,物理學界對於黑洞蒸發是否會導致信息遺失一直有正反兩面爭論,幾乎所有當代最有影響力的理論物理學家都加入了這埸「黑洞戰爭」。

陳丕燊說,信息遺失問題之所以重要,是因它觸及量子力學「物理過程中,機率必須守恆」的基礎,若最終證實信息會隨黑洞蒸發遺失,相對論與量子力學這20世紀兩大物理革命、所有近代物理的基礎,或許不能相容,將撼動物理學根基。

但過去40多年來,對於黑洞霍金蒸發的討論僅止於理論爭辯,很少實驗上的進展。陳丕燊解釋,因宇宙中絕大多數的黑洞都比太陽的質量還要大,若要完全蒸發,需要10的67次方年之久,但從宇宙大霹靂到現在,才不過138億年,沒辦法觀察到「壽終正寢」的黑洞,也就無法驗證宇宙信息是否會隨黑洞蒸發丟失。

陳丕燊與法國綜合理工大學教授兼「國際超強雷射科技中心」(IZEST)主任Gerard Mourou共同提出一個新穎的實驗構想,利用日新月異的超強雷射及奈米技術打造「類比黑洞」,試圖模擬出黑洞蒸發的晚期。

研究團隊表示,運用奈米技術,可以製造出密度逐漸加大的薄膜靶,超強雷射打進薄膜後,會瞬間把薄膜融成電漿並產生反射鏡,並推論當雷射及電漿反射鏡逐漸進入薄膜中密度較大的「深水區」時,將會逐漸加速,當雷射結束薄膜穿越時,電漿反射鏡也隨之突然停止,就像黑洞蒸發到最後完全消失一樣,能模擬黑洞蒸發後期、進一步觀測信息保存機制。

陳丕燊目前已組織了一個橫跨臺大梁次震中心、法國綜合理工大學的「國際超強雷射科技中心」、日本國立量子科技中心(QST)之「關西光子研究所」(KPRI)及上海交通大學的國際團隊,預估花3、4年內執行實驗,盼解答這40年來物理界未決的悖論。

台大物理系及天文物理所教授陳丕燊與法國學者提出構想,可望用加速反射鏡模擬黑洞霍金...
台大物理系及天文物理所教授陳丕燊與法國學者提出構想,可望用加速反射鏡模擬黑洞霍金蒸發。圖/台大提供

新聞來源網址:https://udn.com/news/story/9/2249952

 


活動訊息_圖示

主  題:玩手機學物理
日  期:106年2月21日(星期二)13:20~17:10
講  師:嚴祖強教授
地  點:松山高中實驗大樓四樓物理教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:243231

主  題:2017探究與實作教學研討會
日  期:106年4月9日(星期日)08:30~17:10
地  點:陸軍軍官學校
活動網址:https://inquirypracticeblog.wordpress.com/

 
科學活動及演講_圖示

主  題:東部地區自然領域探究與實作教學工作坊
日  期:106年2月18-19日上午09:00~下午16:30
地  點:花蓮縣私立海星中學科學教室
報名網址:https://goo.gl/forms/hsq4wblcO5lMnZJt2

主  題:考古學與科技分析之應用
講  師:許聞廉教授
日  期:2017/3/5 (星期日)10:00 ~ 12:00
地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
活動網址:http://freesci.tw:8090/scholarmatch/page.activityshow.action?id=131

主  題:穿越時空30年-太空船與彗星的約會
講  師:林忠義博士
日  期:2017/3/24 (星期五)19:00~21:30
地  點:國立中央大學科學教育中心106展廳
報名網址:https://goo.gl/DNWN5H

 
 

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