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【科學講堂】質量隨時變 將重新定義

2017-01-18

2018前完成 料改變其他國際單位

前一期「科學講堂」討論質量的量度,除了因為質量的單位牽涉多個國際單位制SI的基礎外,還因為質量的準確度是商業及科技所需求的。

日常生活量度物料的硬度和密度、它所能承受的壓力、液體的黏稠度(viscosity),還有液體和氣體的流動對船隻及飛機的影響等等,都牽涉質量的量度。

上次提到我們現在使用的質量單位為1889年定義的千克(kilogram),現在以鉑金合金所製作的國際公斤原型(IPK)儲存於相關國家的政府。

然而,因為空氣中的粒子污染了該合金,它的重量隨荇伅’荍幭雂F。質量的單位欠缺穩定性,成為了百多年來科學家的難題。

實驗全球複製冀普及

最新的研究顯示,現在可以根據物理常數來定義千克,而該常數的本質是不變而且普及的。現在的任務是要協調不同的實驗,重新定義千克,並測試定義的可行性(feasibility)及是否可以把實驗在世上不同地方複製,務求把新的定義無縫地應用到各種工業科技當中,使用戶包括商人及普羅大眾明白這個改變。

國際上的科學家希望2018年前可以完成這個目標。

新定義不受時地影響 擁三大優點

質量的單位對其他的國際單位制SI影響很多,重新定義後,這個新的千克可以在任何時間地點均會相同,而且還有三大優點:

電:國際單位制SI中,所有與電有關的單位均直接或間接受約瑟夫遜及量子霍爾效應(Josephson and quantum Hall effects,題目涉及量子力學,在此不詳述)影響,要是新的千克與普朗克常數(Planck's constant,h,量子力學中的常數,用以描述量子的大小)掛u,那麼所有與電有關的單位的準確度會大大提升,而電流與電荷數目也會直接掛u。

溫度更準 區分「物質量」「質量」

溫度:目前,開氏溫度(Kelvin)是根據水固有的性質而定義,本來是一個不變數。然而,現實中,它的實際數字取決於實驗室內所用的水的純度。同樣地,若新的千克與普朗克常數掛u,而開氏溫度與波茲曼常數(Boltzmann constant,kB,熱力學thermodynamics中的常數)掛u,可以讓開氏溫度定義得更為準確。

物質量:中學化學教科書內所學習的摩爾(mole)將會被重新定義,使其不再依賴於千克的定義,同時直接與阿伏伽德羅常數(Avogadro constant,NA)掛u。同時,這個新的定義將強調「物質量」(amount of substance,某物件中有多少粒子)和「質量」(mass)之間的區別。

小 結

2018年,千克將會被重新定義,與普朗克常數掛u,此舉減少了其數值的不穩定性,亦大大增加其他單位的精確數值。質量看似簡單,但它影響深遠。

這一百年間,科技的進步對質量準確性的要求十分嚴謹,差不多我們日常生活使用的電力、溫度及物質量均與質量有關。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。

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