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在超過一世紀前，以鉑和銥打造的「完美」千克原
器，成為了舉世衡量一公斤重量的標準。然而，這個儲
存在美國Maryland州Gaithersburg市地下40呎深，儲存
在恆溫恆濕控制保險箱內，大小如一杯義式咖啡的鉑銥
合金圓柱－「第20號公斤」卻只是「近乎」完美。

    《Los Angeles Times》 報導，在 100多年前，「
20號」和其他的公斤原器在法國被製造出來。然而隨著
時間過去，這些圓柱體間出現了細微的差異，平均差大
概在50微克(百萬分之一公克)，約一粒細鹽的重量。

    在講求精確的物理界，度量重量、重力的標準公斤
，就和測量電力的安培、質量的摩爾，和量子力學的代
表－普朗克常數 (Planck's constant)一樣。但也因公
斤的標準概念如此普遍，以至於如何定義 1公斤有多重
？恐怕沒人知道。

    美國國家標準和技術研究院(NIST)是負責保存管理
第20號公斤的機構。其物理學家 Zeina Jabbour說道：
「我該怎麼相信它？」

    現在公斤是國際單位制中最後一個以物理物體為基
礎的單位，其他單位如長度的公尺或時間的秒，都已經
被科學家使用其他自然性質或科學常數來定義了。比如
1秒鐘是以銫分子的振動次數來定義的。

    由於鉑銥合金的公斤原器難以保持絕對穩定的物理
性，因此全球學者競相研究，想要嘗試用別的方式來重
新定義。

    18世紀時，全世界的重量單位及測量方式有數十萬
種，光是法國境內就有25萬種不同的測量單位。

    美國 Northwestern University歷史學家Ken Alder
說，啟蒙時代和法國大革命激盪出統一標準的想法，哲
學家們認為，唯有人們也能自行計算物品的重量和價格
，才有自由的可能。

    法國政府首在1795年創造了「公斤」概念，將其定
義為 1公斤蒸餾水在融冰溫度時的重量。1895年時，17
個國家在國際權度會議上簽署了「公尺條約」，將公斤
訂定為國際標準。

    公斤的標準原器是枚 90%鉑與 10%銥的合金圓柱體
，在1878年製造完成，稱之為「Le Grand K」國際原器
。在它被製造出來的數十年間，又有90枚同樣的原器被
製造出來送往世界各國，用以校準工業與科學領域的度
量衡。

    大約每50年，這些原器就要送回位於法國Sevres的
國際計量局，與原始的國際原器做比對。在1950年左右
的第一次比對中，科學家發現，國際原器與其他原器間
，存在微小的重量差異，他們很關注這個問題，但不知
道是為什麼。

    在科學家了解到原器重量不一致的問題後，便嘗試
以其他定義方式來取代這個人工製造的金屬塊。

    比如公尺的定義，在1889年至1960年間，是用鉑銥
合金製成的國際公尺原器做標準，但在1960年後，則改
以氪氣體發出光波波長的數倍為標準。到1983年，又改
用光速為標準，以光速 1秒可行進 299,792,458公尺的
距離，換算出 1公尺的標準長度。

    在1990年左右，最後一次公斤原器比對後發現，有
些原器重量已經增加了 132微克，有些則減輕 665微克
。而保存在美國的第20號原器則重了18微克。

    可是，科學家們也無法斷定，到底是原始國際原器
的重量變了，還是其他原器的重量變了。或許是圓柱體
中的鉑吸收了環境中的水銀；或許是分解的氣體離開了
圓柱；或許是用水和乙醚清潔圓柱，才改變了它的重量
。但原因究竟為何無人知曉，這些都只是猜測。

    至少有 6個公斤原器已因戰爭、保存不良及其他原
因而佚失。關於重新定義公斤，有 2派不同的新理論想
法。其一是由趨近完美的矽球體中的20秭 (20兆兆；20
億億億) 個原子數量來定義；另一種則是測量可讓 1公
斤重量與重力平衡所需的電流。但這兩種方式都各有複
雜之處。

    在NIST裡，一個密閉房間外的角落中，主持公斤定
義研究的物理學家 Richard Steiner拿出身上的皮夾、
脫下手表，放置在一張木桌上。因為房內的磁場很強，
能輕易消除信用卡磁條上的資料，或是停止手表的運作。

    這位53歲、髮絲飄白的物理學家在23年前來到NIST
，並在14年前加入此專案。他拉開厚重的門踏入房間，
房間由光亮的銅板所保護，能隔絕無線電波與雷達，電
線環繞在牆上。

    在房間中央嗡嗡作響的，是一台笨重的機器，
Steiner希望能由此發展出新的公斤標準－一個雙層的
裝置，中間放有一對超導磁石，大小像消防隊用的水管
瞄子。

    這個機器名稱叫做「瓦特天平(watt balance)」，
但 Steiner喜歡稱它為「我的 UFO」。

    這個定義公斤的方法跟量子力學的普朗克常數有關
。只要科學家有電流、磁場和普朗克常數這 3項資料，
就可以精確計算物品的重量。問題是 Steiner的機器太
敏感，遠方的地震、附近辦公大樓的汽車，還有潮汐都
會晃動到它。會導致錯誤的因素來源約有20個，包括了
空氣的浮力、電流外漏和局部地心引力的改變等。

    德國國家計量研究院物理學家Peter Becker的方法
則較簡單：數原子。這個方法主要是透過計算某種特定
元素的原子數量來定義公斤。

    Becker的希望寄託於 2個約槌球大小的銀色球體，
它們是由最純的矽所製成，造價 320萬美元。它們是世
上最圓的人造物，以30奈米的製程製造。

    63歲、留著灰色山羊鬍的Becker自1970年代起就參
與 X光光學研究。而1990年代中期，公斤原器問題開始
引起學界重視時，他和他的團隊就想到，他們的研究應
該會有幫助。

    原子本身的重量是無法單獨計算的。但Becker和他
的團隊International Avogadro Project，使用 X光來
得知原子間的距離。再參考該物體的重量和使用的雷射
類型，就可以得知原子的數量： 1公斤的矽有約20秭個
原子。

    只是，這種計算方式需要非常規律的原子排列模式
。後來他們選用了矽，就是因為矽原子的圓形排列模式
接近完美。

    在過去14年的實驗中，他們用天然矽製造了約20個
圓球。雖然計算很精確，但仍然失敗了，大部份是因為
天然的矽含有多種同位素，而它們的排列空間並不相同。

    後來他們了解到，材質愈純愈好，最好是完全由同
一種矽所組成的晶體。

    俄羅斯核能部(Nuclear Ministry)與超純材質學院
(Institute for Ultra pure Material) 製造出一種大
型矽晶，而德國的水晶成長學院(Institute of Crystal
Growth)將其重複融化以去除雜質，最後得到由99.99%
矽28(最常見的矽同位素)所組成的晶體。

    在十數載的努力後，以上這兩種測量理論可說是精
確得令人驚訝，但它們卻也難以證明其結果的精準度。

    各個鉑銥公斤原器與原始國際原器的差別平均為50
微克。但在幾個月前，一個英國團隊自行設計的瓦特天
平，所產生出的一公斤數值卻與此非常不同，沒有任何
一個實驗室能解釋其原因。

    其中的差異似乎讓Becker的原子計算理論更有希望
。他說，團隊在明年使用新矽球體時，可以做更良好的
計算。「我們的目標是將(不確定性)因素的影響減少到
10種以下，並有信心可以做到。」不過瓦特天平也有它
的優勢，若最終實驗數字可以信賴，各國並不需要自行
製造超純矽球體做為新的標準原器。

    因此，尋找如何定義公斤的任務仍在繼續。

    不過，就算任何一種理論成功，科學家們有朝一日
仍會試著追求更精確的測量方式。就在 3月，NIST宣布
了 2個新原子鐘的研發成功，它們的精確性凌駕目前的
原子鐘之上。現在的原子鐘每8000萬年會慢 1秒鐘，而
新原子鐘超過10億年才會慢不到 1秒。

    「永遠不可能完美。」 Steiner說。也永遠會有更
精確的工具及研究在等待著科學家們。