从我们还在小学的时候课本就有教过，1 公斤等于 1 千公克，但 1 千公克有多“重”，又是怎么定义的呢？自法国大革命以来，法国成为世界上第一个使用十进制量度系统“公制”的国家，1875 年后改由国际度量衡大会（Conférence générale des poids et mesures，CGPM）管理并推广到全球。1899 年国际度量衡大会一声令下，将国际公斤原器（International Prototype of the Kilogram，IPK）视为质量的基本单位，从此 1 公斤就是以这块 90% 铂及 10% 铱组成的合金圆柱体定义。
现行的国际单位制包含时间（秒，second）、长度（米，metre）、质量（公斤，kilogram）、电流（安培，ampere）、绝对温度（克耳文，Kelvin）、物量（莫耳，mole）和光度（烛光，candela）等七大基本单位，此制度从 1948 年开始建立，于 1960 年正式公布为国际单位制（Système international d’unités，简称 SI），随后也成为国际标准的公制系统。
质量单位重新定义，为什么？
除了质量单位以外，其他度量衡标准单位，都已根据固有自然常数而重新定义。原本长度单位“米”在 1983 年以前也是用一根金属棒代表，但后来重新定义为光在真空中运行 1/299,792,458 秒的距离。
以实物（国际公斤原器，IPK）定义质量单位标准的风险在于，若是 IPK 的质量产生些微变化，那么 1 公斤的标准也会随之改变。IPK 与六个复制品都存放在国际度量衡局（BIPM）巴黎总部下层的储藏室内，受到严密监控，每隔约 50 年就要互相比对一次。然而，即便 IPK 被仔细保存呵护，每次秤重前也必先以酒精和乙醚擦拭，并经过蒸气清洁，但其重量和其他复制品相比却持续相对减轻，至 2011 年为止可能已减轻达 50 微克。
▲ 国际公斤原器的电脑示意图。（Source：By en:User:Greg L [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons）
虽然差异看似极小，但在半导体或生技医疗等高端产业，牵一发就会动全身并引发各种问题，随着科技越加讲求精密，这些误差是不被允许的。此外，一个不断变动的公斤单位，也会导致量测其他现象时不够精准，像是压力、能量等。于是到了 2011 年，国际度量衡大会全体一致赞成，改以一个物理常数来重新定义公斤，不再以实体器具为标准，届时国际公斤原器 IPK 将走入历史。
▲ 预计 2018 年新标准通过后，国际单位制的定义将由左图改为右图。基于经修正数值后的物理常数，以及基于同样物理常数而衍生的其他基本单位。（Source：By Emilio Pisanty [CC BY-SA 4.0 ], from Wikimedia Commons）
硅晶球大法好，为实现普朗克常数定义公斤的方式之一
顺应这个趋势，国际度量衡委员会（CIPM）随即启动重新定义质量的研究，决定采用更稳定的量子力学常数──普朗克常数（h）来重新定义“公斤”，确保量测技术的稳定性。普朗克常数是一个物理常数，用来描述物理作用量之大小，在量子力学领域占关键角色。普朗克常数用以描述光子能量与频率之间的关系，以及基本粒子物质波波长与动量间之关系。实现普朗克常数所定义公斤的方式有两种，一种为瓦特天平法（watt balance），2016 年则正式改名为“基布尔天平（Kibble balance）”；另一种则为 X 光晶体密度法（XRCD method），就是硅晶球法，也是目前物量单位（莫耳，mole）最准确的实现方法。
硅晶球法透过计数硅晶球中硅原子数量的方式来实现新公斤定义。取自自然界的硅经过纯化、长晶、切割、研磨与抛光多道程序，制造出硅 28 同位素纯度超过 99.99%、直径为 93.7mm 且真圆度为数十奈米的完美球体，借由计数硅晶球内含有多少颗硅原子，再乘以单颗硅原子平均质量实验数值（此数值与普朗克常数联结），来算出硅晶球的质量。
德制高纯度硅晶球，协助台湾产业加速升级
为维持国家最高计量标准，并满足科技、产业、民生及安全等量测仪器的追溯校正需求，台湾曾在 1995 年向国际度量衡局购买编号第 78 号“铂铱公斤原器”，保存在工研院的“国家度量衡标准实验室”，每十年还要送回去追溯一次，并将标准传递至国内二级实验室的标准砝码，最终普及至业界的质量量测仪器。如今，随着质量单位“公斤”重新定义，工研院率先订制了德国联邦物理技术研究院制作的高纯度硅晶球。此硅晶球目前只生产四颗，一颗售价 100 万欧元（约新台币 3,500 万元），台湾是全球第一个购买的国家，这也是全球第二颗（第一颗在德国本土）。
2018 年 11 月展开的第 26 届国际度量衡大会，预计通过国际计量单位重新定义，并于 2019 年 5 月 20 日起正式实施，使国际有共同一致标准。工研院表示，德制硅晶球日后成为原级质量标准后，原先为质量最高标准的 78 号铂铱公斤原器，将降为二级标准，以确保公斤数值的稳定性，使台湾的质量标准与世界各国一致。标准检验局也将强力支持工研院积极进行新公斤质量量测系统建置，希望掌握精密的量测数据，借此协助推动高科技产业进展。
（首图来源：《科技新报》摄）
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