1.媒体来源: 风传媒
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它变,全世界都得跟着变!科学家的噩梦:世界通用的“1公斤”缩水了
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什么都不做就改变体重,大概是许多人的梦想,但如果体重上升的话,恐怕就变成噩梦。
现在科学家也有个噩梦,那就是,1公斤可能不再是1000公克!
大K的传说:只有3位科学家碰在一起 才能把大K拿出来
我们熟悉的“公斤”,其实在 100 多年前才被定义出来,原本的定义是摄氏 0 度时,1000 毫升的水等于 1 公斤,但是水的密度会随温度改变,纯水也很难取得。
1889 年,国际度量衡大会(CGPM)打造了一个铂铱合金的圆柱体,称为国际公斤原器(international prototype of kilogram,简称IPK),它的重量,从此就是世界通用的“1公斤”,也是世上唯一还在用实物当成标准的国际单位。
和高尔夫球差不多大的公斤原器,被科学家暱称为“大K”(Le Grand K/Big K),大K有 40 个“同胞手足”,被送到世界各地给人们当成标准,每隔许多年会拿出来校准,为了排除所有会影响大K重量的因素,大K被锁在巴黎近郊国际度量衡总部的三层真空玻璃罩里,只有分别握有钥匙的三位科学家聚在一起,才能把大K拿出来。百年来大K只跟手足聚首过3次,科学家几乎不敢碰触,连清洁也要利用蒸气。
大K的烦恼:差一点,就差很大!
可是这样重重保护下,大K 还是缩水了! 随着科技日新月异,1992 年科学家不安地察觉——不知道是“手足们”变重,还是大K受损,几经校对之后,大K的体重竟然减少了50微克!也就是说公斤原本等于 1000 公克,现在等于1000 公克减去 50 微克。
50 微克有多重呢?其实,大概就是一粒沙子的重量。只是一粒沙子的重量,为什么科学家要这么紧张?
原来,“公斤”代表着质量单位,和公斤相关的测量单位非常多,例如力学单位“牛顿”,它的定义就是“使质量 1 公斤的物体拥有 1 m/s2 加速度的力”。牛顿也拿来协助定义压力单位“帕斯卡”。还不止这样,能量单位“焦耳”的定义也跟牛顿有关,焦耳又被用来定义电力的单位“瓦特”,瓦特又是亮度单位“烛光”定义的一部份总而言之,如果让质量单位随着大K 一起缩水,这些测量单位统统会跟着改变!
这样的巨变简直就是蝴蝶效应,除了学术研究之外,医学界、工程界--讲求精密测量的科学科技全都得跟着改变,那会是多可怕的灾难?因此,一定要找个方法重新定义“公斤”,但又不会影响到现行的标准。
让大K功成身退的方法:天平还是硅球?
从实物标准,转化为不易改变的物理量标准,人类已经有了经验,“公尺”的定义过去也是依照一条铂铱合金棒子的长度,1983 年之后就改为“光在真空中前进 1/299,792,458秒的距离”。看起来比较复杂,但才能确保这个标准不易变动。
面对大K 的问题,科学家已经找出两个可能的解决之道,其中之一就是一颗同为 1 公斤的漂亮硅球。
这颗硅球由“硅 28”组成,硅 28 是硅的同位素中最稳定的一种,多亏半导体工业的高度发展,科学家已经有办法制造纯度非常高的硅球。但是,并不是要用硅球取代大K,而是计算球里面的硅原子数量,就像计算口香糖机里面有几颗口香糖球一样,一公斤的硅球里面有几个硅原子?算出来的答案,很可能就会成为新的“公斤”定义。
数原子的方法属于化学里很重要的概念“亚弗加厥常数”,也就是“莫耳”。12 公克重的碳 12 里,有着约 6.0221367x10^23 个碳原子,这个数量就是 1 莫耳,这个数值就是亚弗加厥常数。人类的技术无法测量 1 个碳原子或硅原子的重量,因此无论碳还是硅,其实都是估计值,只是硅 28 的结晶体近乎完美,每个原子所占空间几乎相同,所以是目前测量出误差值最小的方法。
另外一派科学家,则希望可以使用“瓦特天平”来重新定义公斤,由于载有电流的线圈可以产生磁力,如果放上 1 公斤的珐码,测量需要多少电功率才能与珐码达到平衡,得到的能量数值也可以成为公斤的定义。
这个方法当然也有缺点,并不是每个地方的重力都一样,而且瓦特天平可能受到震动、空气浮力或电流外漏等影响,需要非常稳定的空间才能测量。所以现在国际度量衡大会仍然犹疑不定,还没选出即将取代大K的方法。
你比较喜欢哪个方法呢?可以确定的是,几年之内大K就要“退役”,不过凭它 100 多年来的功劳,恐怕还是逃不了被锁在博物馆罩子里的命运!
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5.备注:
现在记者居然能写出这么高水准的科学文章,太意外了,
哪来这么厉害的记者,感觉就是正妹~
不过到底为什么大K会缩水?是哪个家伙去偷摸人家几把的吗?