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從2018年底起,與我們日常生活上必須量測使用到的電流、熱力學溫度、物量、質量、時間、長度和光強度有關國際標準單位制(SI)的七個基本單位:A, K, mol, kg, cd, s, m (安培、克耳文、莫耳、公斤、燭光、秒、公尺)預期將被本質上更基礎之不會改變的七個宇宙常數:e, kB, NA, h, Kcd, ΔvCs, C (基本電荷、波茲曼常數、亞佛加厥常數、普朗克常數、發光效能、銫原子133基態超精細躍遷頻率、光速)予以重新定義。美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology; NIST)在物理教師期刊上發表的論文可以讓高中老師們確保高中修習物理學門的學生在追逐科技時尚新聞的同時,也協助他們了解以七個宇宙常數來重新定義量測單位的真正意涵。

SI源自1875年的米制公約,現代版的米制有七個基礎之基本單位,包括了長度–公尺(米)和時間–秒。預期自2018年底起,歷史上破天荒,所有七個基本單位將會與七個宇宙常數有關之基礎常數來重新定義,例如:真空中的光速、單一電子的電荷。直到最近有關這七個基礎常數的科學實驗研究數據結果顯示足夠充分的準確度,而讓這些量測單位的重新定義成為可能,也讓發表這篇期刊文章的作者們期待幫助學生們明瞭這項改變的重要性。

該期刊文章作者之一,NIST物理學者彼得摩爾指出,這項改變是一個歷史上的重要時刻:「回溯到十九世紀,詹姆士麥克斯威爾(James Clerk Maxwell)為歷史上具灼見的一位偉大科學家,就已夢想到一個完全植基於宇宙常數的量測系統,如今正親臨他的夢想即將實現的時刻,我們更應盡我們在科普教學的專業能力闡明,讓高中學生能夠了解這些常數與SI量測單位之間為何有關係。」文章開頭淺顯簡短地說明我們日常生活所用到各種量測單位的沿革歷史,以及指出過往幾世紀以來這些單位使用上的侷限所導致有重新定義它們的必要性。例如:質量公斤–目前仍是由一金屬實體原器(IPK)來定義,而其實際質量的量測值會隨時間持續變化,也就促使國際上多個計量研究團隊透過”瓦特天平”的實驗努力,以與電能相關的方式來重新定義公斤。整篇文章大部分都針對了每一個基本單位與各個宇宙常數的關係做了簡短的摘要陳述,俾使高中教師們在物理課程”量測單位篇”的教學一剛開始時,就能讓學生正確領悟所有基本單位與各個宇宙常數之間的關係。

來自賓州的剛剛退休高中物理教師之文章共同作者,珊蒂諾茲也認為這項改變其中一個最讓她自己甚覺合理的轉變是電荷的單位:「現在我們可以真正開始運用電子而非單位安培的量測。」目前安培的定義仍是與兩條平行無限長電線之間產生的力量有關。所以諾茲女士又說:「這樣的安培定義出的東西(力量)在自然界根本不存在,然而一個電子就是一個電子。」

新SI單位制

CIPM預定在2018年提案新版的SI單位制,並預期自2019年5月20日開始生效,其中以定出七個常數的明確固定數值來自動含蓋到所有新的SI單位,同時除了引用到原來的SI基本單位,也用了特別的SI導出單位:能量焦耳(J)、功率瓦特(W)、電容庫倫(C)、光通量流明(lm)與頻率赫茲(Hz),其詳細定義說明如下:

1. 銫原子133未擾動的基態超精細躍遷頻率,ΔvCs是 9 192 631 770 Hz,

2. 真空中的光速,c是 299 792 458 m/s,

3. 普朗克常數,h是 6.626 070…x 10-34 J s,

4. 基本電荷,e是 1.602 176 6…x 10-19 C,

5. 波茲曼常數,k是 1.380 64…x 10-23 J/K,

6. 亞佛加厥常數,NA是 6.022 140…x 1023 mol-1

7. 頻率為 540 x 1012 Hz之單色光輻射的發光效能,Kcd是 683 lm/W,

注意以上尚待確定的(…)數字將被重新定義當下最新決定的數值所正式取代,而之後的常數就將被定義成那一個不變的數值。

【取材自NIST, January 23, 2017 / 量測中心 周隆亨譯】

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