從我們還在小學的時候課本就有教過，1 公斤等於 1 千公克，但 1 千公克有多「重」，又是怎麼定義的呢？自法國大革命以來，法國成為世界上第一個使用十進位量度系統「公制」的國家，1875 年後改由國際度量衡大會（Conférence générale des poids et mesures，CGPM）管理並推廣到全球。1899 年國際度量衡大會一聲令下，將國際公斤原器（International Prototype of the Kilogram，IPK）視為質量的基本單位，從此 1 公斤就是以這塊 90% 鉑及 10% 銥組成的合金圓柱體定義。
現行的國際單位制包含時間（秒，second）、長度（公尺，metre）、質量（公斤，kilogram）、電流（安培，ampere）、絕對溫度（克耳文，Kelvin）、物量（莫耳，mole）和光度（燭光，candela）等七大基本單位，此制度從 1948 年開始建立，於 1960 年正式公布為國際單位制（Système international d'unités，簡稱 SI），隨後也成為國際標準的公制系統。
質量單位重新定義，為什麼？
除了質量單位以外，其他度量衡標準單位，都已根據固有自然常數而重新定義。原本長度單位「公尺」在 1983 年以前也是用一根金屬棒代表，但後來重新定義為光在真空中運行 1/299,792,458 秒的距離。
以實物（國際公斤原器，IPK）定義質量單位標準的風險在於，若是 IPK 的質量產生些微變化，那麼 1 公斤的標準也會隨之改變。IPK 與六個複製品都存放在國際度量衡局（BIPM）巴黎總部下層的儲藏室內，受到嚴密監控，每隔約 50 年就要互相比對一次。然而，即便 IPK 被仔細保存呵護，每次秤重前也必先以酒精和乙醚擦拭，並經過蒸氣清潔，但其重量和其他複製品相比卻持續相對減輕，至 2011 年為止可能已減輕達 50 微克。
▲ 國際公斤原器的電腦示意圖。（Source：By en:User:Greg L [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons）
雖然差異看似極小，但在半導體或生技醫療等高端產業，牽一髮就會動全身並引發各種問題，隨著科技越加講求精密，這些誤差是不被允許的。此外，一個不斷變動的公斤單位，也會導致量測其他現象時不夠精準，像是壓力、能量等。於是到了 2011 年，國際度量衡大會全體一致贊成，改以一個物理常數來重新定義公斤，不再以實體器具為標準，屆時國際公斤原器 IPK 將走入歷史。
▲ 預計 2018 年新標準通過後，國際單位制的定義將由左圖改為右圖。基於經修正數值後的物理常數，以及基於同樣物理常數而衍生的其他基本單位。（Source：By Emilio Pisanty [CC BY-SA 4.0 ], from Wikimedia Commons）
矽晶球大法好，為實現普朗克常數定義公斤的方式之一
順應這個趨勢，國際度量衡委員會（CIPM）隨即啟動重新定義質量的研究，決定採用更穩定的量子力學常數──普朗克常數（h）來重新定義「公斤」，確保量測技術的穩定性。普朗克常數是一個物理常數，用來描述物理作用量之大小，在量子力學領域占關鍵角色。普朗克常數用以描述光子能量與頻率之間的關係，以及基本粒子物質波波長與動量間之關係。實現普朗克常數所定義公斤的方式有兩種，一種為瓦特天平法（watt balance），2016 年則正式改名為「基布爾天平（Kibble balance）」；另一種則為 X 光晶體密度法（XRCD method），就是矽晶球法，也是目前物量單位（莫耳，mole）最準確的實現方法。
矽晶球法透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序，製造出矽 28 同位素純度超過 99.99%、直徑為 93.7mm 且真圓度為數十奈米的完美球體，藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子，再乘以單顆矽原子平均質量實驗數值（此數值與普朗克常數聯結），來算出矽晶球的質量。
德製高純度矽晶球，協助台灣產業加速升級
為維持國家最高計量標準，並滿足科技、產業、民生及安全等量測儀器的追溯校正需求，台灣曾在 1995 年向國際度量衡局購買編號第 78 號「鉑銥公斤原器」，保存在工研院的「國家度量衡標準實驗室」，每十年還要送回去追溯一次，並將標準傳遞至國內二級實驗室的標準砝碼，最終普及至業界的質量量測儀器。如今，隨著質量單位「公斤」重新定義，工研院率先訂製了德國聯邦物理技術研究院製作的高純度矽晶球。此矽晶球目前只生產四顆，一顆售價 100 萬歐元（約新台幣 3,500 萬元），台灣是全球第一個購買的國家，這也是全球第二顆（第一顆在德國本土）。
2018 年 11 月展開的第 26 屆國際度量衡大會，預計通過國際計量單位重新定義，並於 2019 年 5 月 20 日起正式實施，使國際有共同一致標準。工研院表示，德製矽晶球日後成為原級質量標準後，原先為質量最高標準的 78 號鉑銥公斤原器，將降為二級標準，以確保公斤數值的穩定性，使台灣的質量標準與世界各國一致。標準檢驗局也將強力支持工研院積極進行新公斤質量量測系統建置，希望掌握精密的量測數據，藉此協助推動高科技產業進展。
（首圖來源：《科技新報》攝）
