國際度量衡系統有一個重量問題——有一顆「水晶球」能夠提供解決之道。
這個矽晶球體中有多少個原子？答案可能引出公斤的國際新標準。Photograph by Julian Stratenschulte, dpa/Corbis
一個多世紀以來，在法國薩弗瑞（Sèvres）的一座地窖中，一個如高爾夫球大小、上了鎖的圓柱體，確立了全世界一公斤（2.2磅）的準確質量。
國際公斤原器（International Prototype of the Kilogram）又被稱為大K（Le Grand K），是一個閃著微光的鉑銥合金物體，它是同類中碩果僅存的一個。其他所有的度量衡標準單位，都已根據固有自然常數而重新定義。例如，公尺原本是用一根金屬棒代表，但在1983年已被重新定義為1/299,792,458秒內，光在真空中運行的距離。 一群各國來的科學家希望公斤也可以如法炮製，並且一勞永逸地捨棄這些過時的方法，使全球的度量衡系統恢復平衡。上週，他們發表了一項研究結果，透過計算出最為精確的亞佛加厥常數（Avogadro’s number）——比宇宙的星星數量還更多的原子，或許可以徹底結束對新的重量的等待。而那個數字是原子世界與可見世界的橋梁。
公斤不可思議地縮水 大K的誕生故事，聽起來像個童話。圓柱形的人工製品是在國際度量衡大會 （CGPM）的指導下鑄造的，大會在1889年如皇室般下令：「從今以後，這個原器應被視為質量的單位。」
一個多世紀以來，這個公斤被封在國際度量衡局的三個玻璃鐘罩裡，保護它不受灰塵、濕氣、指印和其他外來世界的污染損壞。只有三個各有一把鑰匙的保管者一起，才能取出大K。
世界最圓的物體 VIDEO 觀賞影片： 凝視「水晶球」。這個矽晶球是世界上最圓的物體，可以幫助科學家解決公斤單位的問題。了解球體的製造過程以及它們為何是無價之寶的原因。
40個一模一樣的仿製品被送往全球各地，以校準公斤的單位。這些圓柱體只重聚過三次，以進行比對。每一次，大K和它的雙胞胎們都被仔細地以酒精和乙醚擦拭，經過蒸氣清潔，然後秤重。1992年，科學家們不安地發現，大K不知為何變得比它的手足輕了一些。
沒有人確知到底發生了什麼事。而且因為大K的質量是和其他圓柱體比較量測而來，不清楚究竟是它的重量一直在下降，或是它在世界各地的其他仿製品不斷地在變重。或許，逐漸累積的污染物是原凶，例如從實驗室的溫度計中滲出的水銀。有一個研究人員甚至為了試圖解決這個問題，因此創造了清潔圓柱體的新標準作法：使用紫外線 。
「我們很怕碰到它，」史蒂芬．施納格（Stephan Schlamminger）說，他是美國國家標準技術研究院 （U.S. National Institute of Standards and Technology）電子公斤計畫的首席科學家，「可能會擦掉一些原子或什麼東西」。
摩耳人 雖然重量的差異很小——大約是50微克 ，或說是大約一粒小沙子的大小——但在講求精準的領域中，如醫藥界或工程界，這種不穩定是不被允許的，因為微小的差異可能會引發一連串問題。
更重要的是，這不只是質量的問題而已。許多其他的現象——力量、壓力和能量——都要靠公斤來計算度量。一個不斷變動的公斤單位，會導致其他類似的單位變得不能確定，例如瓦特和伏特。
終於在2011年，國際度量衡大會以全體55位代表一致贊成的票數，同意根據一個物理常數來重新定義公斤，計畫預定在2018年完成。其中一個正在研究的方法，會以一個根據亞佛加厥常數而來的單位取代大K。
亞佛加厥常數是以一個19世紀的化學家之名來命名，也被稱為摩耳——拉丁文的moles，是「一堆」之意，用來代表一群原子或分子集合體的詞。就像一打雞蛋代表有12顆雞蛋，或是一令紙有500張，1摩耳原子約有602,214,082,000,000,000,000,000個單獨的原子。
這個數字有多大？「把有亞佛加厥常數那麼多的棉花糖，均勻鋪在全美50州，會產生一張逾97公里深的棉花糖地毯，」1978年《化學教育期刊》（Journal of Chemical Education）的一篇文章提到。
化學家利用亞佛加厥常數，將原子等級的尺寸轉換為公克。
那樣的關係可以用來確定公斤的質量。
計算亞佛加厥常數 為了計算亞佛加厥常數，研究人員需要一個產生完美晶體的物質，裡面每個原子占的空間大小完全相同。
那個物質就是矽。科學家計算了一公斤矽的反射球體中的原子數。就像計算口香糖機裡的口香糖那樣，他們測量那個閃亮球體的大小，並算出裡面可以容納多少原子。
這個在《物理與化學參考資料期刊 》（Journal of Physical and Chemical Reference Data）發表的結果，是有記錄以來最精確的亞佛加厥常數值，誤差只有0.000000018。
再過幾年，我們或許終於能讓大K功成身退。有沒有人需要紙鎮？
撰文：Maya Wei-Haas, National Geographic
編譯：蘇睿哲
