想統一度量衡的路易十六

18世紀末，法王路易十六希望能統一度量衡，他要求科學家們找出一種能讓所有人、在任何時間都能量出 1公斤和 1公尺的方法。當時科學家的建議是，1公斤就是 1公升冰點溫度(編註)的水重，而 1公尺就是從北極到赤道長度的一千萬分之一。

編註：水的冰點溫度在 1大氣壓下為攝氏 0°C。

再加5種組成國際單位制

隨著時間過去，科學家們需要更多物理量的基本單位定義，除了質量(公斤, kg)和長度(公尺, m)之外，又陸續加上了時間(秒, sec)、電流(安培, A)、溫度(克耳文, K)、物質的量(莫耳, mol)和發光強度(燭光, cd)，組成了「國際單位制」(Système International d'Unités, SI制)。

用水測質量  不準

然而，最一開始制定出來的國際單位制並不完美。以 1公斤為例，當時科學家的定義是冰點溫度 1公升的純水重量，但他們很快地就發現這樣定義 1公斤會出現問題：1799年，當科學家們重新比對 4年前測得的 1公斤重的物體時發現，明明是一樣的東西，4年後再拿來和冰點溫度 1公升的純水做比較，重量居然變成原本的 99.92072%。

真空狀態測才準

這是因為大氣壓力會影響到秤重時的準確度，如果要避開大氣壓力的影響，就必須要在真空的環境下測量。

鉑銥合金「國際公斤原器」

1889年，科學家們終於找到了解決辦法──他們用鉑銥合金製作出一個金屬圓筒，並用 1個 3層的密封玻璃罩子封住，確保這個鉑銥金屬圓筒不會因此氧化，並存放在法國塞夫爾(Sèvres)的國際度量衡局(BIPM)裡。它就是「國際公斤原器」(International Prototype of the Kilogram, IPK)，凡是和它一樣重的物體就會被視為一公斤重。

複製品也要定期比對

除了存放在國際度量衡局的國際公斤原器外，國際公斤原器還有數十個複製品，但每一份複製品約隔 40年左右，就要回到國際度量衡局和真正的國際公斤原器比對一下，確定這些複製品的重量真的是 1公斤重。

國際公斤原器照顧不易

要照顧這個國際公斤原器並不是件容易的事，清理時必須要使用沾有乙醇和乙醚的麂皮擦拭，再使用經過 2次蒸餾的水用蒸氣清洗，這只有手上握有國際公斤原器金庫 3把鑰匙的工作人員才能辦到。

細心呵護  還是有變輕

然而，即使國際度量衡局的工作人員這 129年來細心呵護這個世界上獨一無二的國際公斤原器，它的重量還是有可能在拿進拿出稱重的時候、工作人員在清洗的時候不小心變輕了一點。

之前就一直有人注意到，國際公斤原器的重量好像比複製品輕一點，但這也有可能是複製品們接觸到空氣氧化而變重了。

這個標準其實不好

其實科學家們自己知道，用國際公斤原器來定義 1公斤到底多重並不是一個好方法。如果要定義 1個基本物理量的單位，最好要找到 1個不會因為時間、地點有所改變的定義方式。

一塊金屬  成為全宇宙的笑話

美國國家標準暨技術研究院(NIST)的物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)說：「如果外星人來到地球，我們除了物理之外還能聊什麼？如果我們要聊物理，就必須要有共同的單位，如果我們說我們的質量單位是一塊放在巴黎的金屬，那我們就會被全宇宙取笑。」

長度和時間單位都曾改過

事實上，國際單位制裡面的 7個基本單位，就只剩下 1公斤的定義到現在都還是採用和某個東西進行比對的方式。

舉例來說，18世紀末 1公尺定義為北極到赤道距離的一千萬分之一，歷經了「國際公尺原器」時代之後，在 1983年已經改成光在 299,792,458分之一秒鐘行進的距離是 1公尺。

而曾經定義為平均一天長度的 8萬6,400分之一的 1秒鐘，也因為每天時間長度變化太大很難測量，已經在 1967年改為銫原子震動 9,192,631,770次的時間為 1秒鐘。

用電磁力測質量

不過這種以國際公斤原器定義 1公斤的方式，很有可能在不久之後將成為過去式。

本周五(16)，每 4年召開一次的國際度量衡大會(General Conference on Weights and Measures)將投票決定是否要更改國際單位制的定義方式。如果順利通過的話，從明年 5月起， 只要利用「基布爾秤」(Kibble balance，又稱「瓦特秤」watt balance)利用普朗克常數(Planck constant)、電流和電壓值，就能用電磁力精準量測出 1公斤的物體質量。

對一般大眾沒有影響

英國國家物理實驗室的物理學家羅賓森(Ian Robinson)指出，不管最終投票結果為何，新的質量定義方式準確度提高對科學家來說是件好事，但對於一般消費者上街買麵粉或香蕉，「絕對不會有任何改變」。

上線時間：2018/11/13
增修日期：2018/11/13  修正內文