CGPM 開始更新國際度量衡系統 - 泛科學
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國際單位制(法文Système International d'Unités,簡稱SI)可說是全世界測量系統的基礎,此制度最早源自於1799 年法國大革命時期科學家所發展的「公制」,經過1960 年第十 ...
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CGPM開始更新國際度量衡系統
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國際度量衡大會(CGPM)在最近一場於法國Sevres舉行的會議中,一致投票通過一項提案,考慮要至少改變絕大多數文明世界所使用之七種基本單位(秒、公尺、公斤、安培、凱爾文、墨耳、燭光)中某些單位的度量(measurements),是多年爭辯(尤其是公斤、安培、凱爾文與墨耳)之後的結果。
當然,公斤所承受的抨擊最為猛烈,因為那仍然根基於一大塊位於巴黎某處地下室,受到嚴密保護的金屬。
自1949年其質量被發現已經改變以來,一直都是爭論焦點。
這七種基本度量單位本身全都被當成標準來用,而且也衍生出幾乎其他所有的度量(公克、小時等)。
當科學變得日益精確時,亦需要更精確的度量,而某些完成這些度量的老方法已經跟不上時代了。
公斤是七種單位中唯一仍將人造物體作為依據的單位,其短少很明顯。
更精確的描述方式,應該是使用一種可在自然界中找到的基本常數,例如由很小一群氣象學者所建議的普朗克常數(Planckconstant)。
PeterMohr、TerryQuinn、BarryTaylor與EdwinWilliams最近組隊同時在Metrologia期刊中發表一篇文章,擁護將計量公斤的方式轉換至普朗克常數,其他三種基本度量–安培、凱爾文與莫耳–也一起改變。
正是這一小群團體進行遊說,要求改變,才在最近的 CGPM會議中被提出。
會議中強調,對於度量所依循方式的任何新改變,都不應該改變目前慣常運用的基本方式,例如:水仍應在攝氏0度結冰,在攝氏100度沸騰而烹飪食譜仍將有效,且奧林匹克運動會的世界紀錄仍應全部維持等等。
將改變的是能用來描述質量、距離、時間等等的準確(accuracy)程度,使其前後一致,不管度量是在何處由何人所進行。
一個好例子是公尺,一種不需要改變的度量,原本是根據一根金屬棒上的蝕刻;現在是根據光在真空中行進的距離。
CGPM的這項措施意味著,要進行的確切改變提案將會在下一場於2014年舉行的會議中被考慮然後投票表決。
如果改變通過,其實作的時程表也將會在會議上決定。
CGPM是法文「conférencegénéraledespoidsetmesures」的縮寫,是負責維護國際單位制(InternationalSystemofUnits,SI,萬國公制)的三大實體當中的一個(譯註:其餘二個分別是BIPM、CIPM),其歷史可回溯至1875年的一項國際公約。
那代表52個成員國語26個其他協會。
資料來源:PHYSORG:CGPMsettoupdateinternationalsystemofweightsandmeasures[October26,2011]
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的MIT,請勿混淆:p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了...:D
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一公尺究竟有多長?從單擺到相對論,公尺制的精彩變身史!
linjunJR
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公尺是大家經常使用的長度單位,不過,它到底是多長呢?答案是:光在一秒內行走距離的299,792,458分之一。
最早期的公尺標準長度,遺留在巴黎的建築物牆上。
圖/wikipedia commons
然而,想準確測量光速可不容易,一般人家裡根本就沒有測光速的實驗設備,為什麼還要選擇這麼不親民的定義呢?原來,這個定義是一直到1983年才終於定案的,那麼問題來了:在這之前的人們,是怎麼測量長度的?
法國大革命,度量衡也要大翻新!
在法國大革命之前,法國境內的度量衡直接沿襲了神聖羅馬帝國的規定,各地區間差異頗大,令人頭痛。
於是,在大革命剛結束之際,國民公會便指示巴黎科學院定下一個新的長度標準。
這麼做不只有利民生及學術發展,也可順便掃除舊政權的老古董制度。
老古董制度給我滾開!圖/giphy
一聲令下後,各路好手紛紛出馬,提出自己覺得夠科學的長度標準。
第一個候選人是「單擺」。
因為單擺周期只與擺繩長度有關,所以或許可以用「一秒擺一次的單擺擺長」來作為長度標準。
不過,只要經過簡單的實驗就可以發現:由於各地重力強度不同,所以單擺周期會因測量地點改變,而不是只跟擺長有關。
用單擺當標準的話,缺乏了各地通用的普適性,因此遭到淘汰。
第二種想法則是利用「地球的大小」。
更準確地說,是將子午線從赤道到北極的長度作為標準,以定下常用的公尺長度。
這個想法其實沒有什麼物理上的意涵,不過還是被國民公會所採用,於是開始了測量子午線的浩大工程。
雖然子午線就在法國人的腳底下,但要量它的長度可不容易。
沒有人能真的從赤道長征到北極。
在那個科學技術剛起步的年代,如此大規模的測量是個十分艱鉅的挑戰。
不過,堂堂法國巴黎科學院可是說到做到。
他們花了超過六年的時間,實地測量從敦克爾克到巴塞隆納這段子午線的長度。
這兩個城市都位於海平面,而且差不多位於整個弧長的中段,是很適合的選擇。
利用這次測量的結果,科學家鑄造出一根鉑製的公尺原器,從此,一公尺有多長由它說了算。
沒錯!就是這麼遠!當年的科學家花了六年多冒險犯難測量子午線。
(圖上顯示為google推薦之步行路線,非子午線本身。
)圖/googlemap
在1840年左右,新定義的公尺正式成為法國的標準單位。
後來,公尺原器經過幾次複製與改良,推廣到全世界,而公尺也成為家喻戶曉的長度單位。
不過時間一久,科學家發現:用一個實體物品去定義單位終究不是個好主意。
不論保存措施多麼完善,實體物品終究會出現一些損耗,像是用來定義質量單位的公斤原器,便隨著時間逐漸變胖。
這些細微誤差讓龜毛的物理學家難以接受,於是尋找公尺新定義的偉大旅程再次展開啦!
後期的X型鉑銥合金公尺原器電腦合成影像。
圖/wikipedia commons
為什麼要「吹毛求疵」?樸實無華的單位追尋之旅
這次的場景在二十世紀。
經過眾多物理大師的加持,物理學已經比法國大革命那時完備許多。
電磁學、相對論、和量子力學都已經發展成熟,而新的定義也從這幾個領域著手。
1960年,科學家們先是將公尺用氪原子光譜的躍遷波長來定義,後來則因氪元素取得不易,在1983年更改為我們現在熟悉的光速定義。
為什麼是光速而不是聲速或其他速度呢?電磁學的推導指出,不論在宇宙的哪個角落,光速都是一樣的(相對論的架構也是建立於這點之上)。
因此光速有別於其他物理速度,是個令人信賴的定義標準。
除此之外,這個定義使用的是不變的物理常數,而不是實體物品,因此存在一個完美的「精確值」。
隨著測量光速的實驗越來越精準,一公尺只會逐漸趨向精確值;相較之下,原本的公尺原器就相形失色,就算不考慮原器長度會有變化,公尺的定義還是受限於每次測量的誤差。
基於同樣的道理,公斤的定義也在幾年前由公斤原器改為物理常數的組合。
從單擺到光速,公尺的定義隨著物理學的發展不斷演進,為的就是去除那零點零幾趴的誤差,得到一個恆常不變的長度單位。
物理學家的堅持就是這麼樸實無華且枯燥,實在令人敬佩。
不行!一點點的誤差都得找出來!圖/giphy
所以說,在可預見的未來中,這些定義應該不會因為準確度的問題而被換掉。
(對的,你只要好好記一次就很夠用了!)如果真的有這麼一天,表示目前的宇宙常數和物理定律出了問題,那麼事情可就大條啦。
參考資料
國家度量衡標準實驗室
Wikipedia:Historyofthemetre
精確的力量:從工業革命到奈米科技,追求完美的人類改變了世界
___________你是國中生或家有國中生或正在教國中生?科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。
來科學生陪你一起唸科學!
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linjunJR
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清大理工男。
不喜歡算數學。
喜歡電影、龐克、和翻譯小說。
不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。
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時報出版
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作者/李開周
編按:本文中的單位換算,是中世紀歐洲的計算方式,現代的計算方式已和過去不同,一起來看看那時的單位計算有多野蠻吧!
蕭邦之所以姓「蕭邦」,來自於「一瓶紅酒」
弗雷德里克.蕭邦(FrédéricFrançoisChopin),波蘭鋼琴家、作曲家,十九世紀歐洲浪漫主義音樂的代表人物,弗雷德里克是名字,蕭邦是姓氏。
蕭邦為什麼姓蕭邦呢?因為他父親姓蕭邦。
他父親為什麼姓蕭邦呢?因為他父親的父親的父親的父親,也就是蕭邦的祖宗,在法國賣過紅酒。
波蘭作曲家弗雷德里克.蕭邦,他的姓氏來源於容量單位Chopin。
圖/時報出版提供
幾百年前的法國,單瓶紅酒的標準容量是一超品(Chopin)。
當時法國人說到紅酒,就會想起超品;而說到超品,就能想起紅酒。
蕭邦的祖宗既然賣紅酒,所以就把「超品」當作家族的姓氏。
後人再把這個姓氏譯成漢語,就成了「蕭邦」。
實際上,按照現代漢語讀音,把Chopin譯成「超品」並不恰當,譯成「蕭邦」才比較接近。
現在我們知道了,蕭邦的姓氏和度量衡有關,是法國傳統容量單位超品的另一種譯法。
那麼這個容量單位到底有多大呢?折算成現在國際通用的毫升,到底有多少毫升呢?算一下就知道了。
一法國超品等於1.5英制品脫,一英制品脫又等於0.125英制加侖,所以一法國超品等於0.1875英制加侖。
一英制加侖是多少呢?大約是4546毫升。
所以,一法國超品就相當於852.375毫升,約等於850毫升。
兩只伏特加酒杯,容量均為一超品。
圖/時報出版提供
現在市面上的法國紅酒,單瓶容量通常是750毫升或700毫升。
也就是說,蕭邦的祖上售賣的紅酒,比現在的紅酒要實惠,酒瓶更大,裝得更多。
但我們必須說明的是,將一超品折算成850毫升,完全是根據現代英制加侖與毫升的換算關係來計算。
而在幾百年前,並沒有「毫升」這個概念,一加侖的實際大小是不確定的,可能比4546毫升略大,也可能比4546毫升略小,所以一超品的實際大小並不能十分確定。
這些容量單的換算關係如下:
一蒲式耳=二坎寧
一坎寧=二配克
一配克=二加侖
一加侖=二波特爾
一波特爾=二夸脫
一夸脫=二品脫
一品脫=二大杯
一大杯=二及耳
一及耳=二傑克
一傑克=二小杯
一小杯=二口
做為容量單位,超品已經退出歷史舞臺,現代法國人不再使用,英國人、德國人和美國人也不再使用。
事實上,英國人從來就沒用過超品,他們過去常用的容量單位,是品脫(Pint)、夸脫(Quart)、波特爾(Pottle)、加侖(Gallon)。
從中世紀歐洲流傳至今的幾種常用容量單位,由左而右分別是:大杯/品脫/夸脫/加侖。
圖/時報出版提供
此外還有更大的容量單位,例如配克(Peck)、坎寧(Kenning)、蒲式耳(Bushel);以及更小的容量單位,例如大杯(Cup)、及耳(Gill)、傑克(Jack)、小杯(Pony)。
幾種較大的容量單位,由左而右分別是:品脫/夸脫/配克/半蒲式耳(坎寧)/蒲式耳。
圖/時報出版提供
根據以上換算關係,我們可以瞧出兩點端倪:
傳統英制容量單位之間都是倍數關係,典型的二進制;
所有英制容量單位都是建立在「口」之上的。
「口」:喝下去、吐出來,單位跑出來
什麼是「口」?就是一小口。
喝一小口紅酒,再吐到量杯裡,這個容量就是一口。
不停地喝,不停地吐,一口一口地累加,吐2口是一小杯,吐4口是一傑克,吐8口是一及耳,吐16口是一大杯,吐32口是一品脫,吐64口是一夸脫,吐128口是一波特爾,吐256口是一加侖,吐512口是一配克,吐1024口是一坎寧,吐2048口是一蒲式耳。
噗……單位竟然是這樣吐出來的嗎?圖/GIPHY
說到這兒,您會覺得噁心——那麼多、那麼高大上的容量單位,竟然要一口一口去量,多不衛生啊!
是的,確實不衛生。
不衛生倒也罷了,最可怕的是不精準。
您想啊,人的嘴有大有小,小芳櫻桃小口,一口能吐5毫升;小強血盆大口,一口能吐50毫升。
都是一口,差了十倍。
即使是同一個人,每一口也不一樣大:喝清爽啤酒,一口能灌半斤;喝燒刀子,一口最多半兩。
還是一口,又差了十倍。
每一口都差一點點,累積起來就會越差越多。
圖/GIPHY
《淮南子》有云:「寸而度之,至丈必差;銖而稱之,至石必過。
」一寸一寸地累積,累積到一丈,微小的誤差會變成巨大的誤差;一銖一銖地累積,累積到一石,微小誤差會變成更加巨大的誤差。
寸和丈是古代中國的長度單位,十寸為一尺,十尺為一丈。
從寸到丈,要累積一百次,假如每寸有一公釐誤差,那麼每丈就能差出100公釐,差不多和您的手機一樣長了。
銖是古代中國的重量單位,24銖為一兩,16兩為一斤,120斤為一石(這裡的「石」是「禾石」簡稱,讀ㄕˊ;如果做為容量單位,則讀ㄉㄢˋ)。
從銖到石,要累積46080次,假如每銖有一克誤差,每石就能差出46080克,也就是46.08公斤,差不多和極致瘦身的女模特兒一樣重了。
古代英國人把各種容量單位建立在「口」的基礎上,假如每一口只有一毫升誤差,當累積到品脫的時候,誤差32毫升;累積到加侖,誤差高達256毫升;如果累積到蒲式耳,誤差將是2048毫升。
朋友們,二千多毫升,那是什麼概念?相當於三瓶紅酒啊!
你的一超品,不是我的一超品呀!圖/GIPHY
設想一下,蕭邦的祖宗用一口一口吐酒的方式替您稱量,您受得了嗎?當然,人家也不可能用這種笨法子,應該是用標準量器去量。
問題在於,當時所謂的標準量器,都是建立在「口」之上的,怎麼可能做到「標準」呢?
商家拿出來一只量杯,標的是一超品;顧客怕吃虧,也從懷裡摸出來一只量杯,標注也是一超品。
兩只量杯一比較,顧客的量杯比蕭邦祖宗的量杯大得多,那怎麼辦?用誰的量杯?您堅持用您的,蕭邦祖宗堅持用他的,於是就爭執起來,紅酒沒有買成,買到一肚子氣。
用嘴測度容量,女王覺得母湯
1559年,伊麗莎白一世登上英國女王的寶座,她發現了容量單位既不標準也不衛生的弊端,於是下令廢除用口稱量的野蠻傳統,並讓容量與重量相結合,重新定義英國的容量單位。
伊麗莎白一世是這樣做的:她保留了品脫、夸脫、加侖等傳統單位,但她讓這些容量與「口」脫鈎,與「盎司」結合起來。
她規定,一品脫等於20盎司,一夸脫等於40盎司,一加侖等於160盎司。
幾種常用英制容量單位的換算關係。
一大杯=8液盎司,一品脫=2大杯,一夸脫=2品脫,一加侖=4夸脫。
圖/時報出版提供
盎司本來是重量單位,一盎司等於360顆大麥加起來的重量。
伊麗莎白一世讓人用天平稱重,在一個托盤裡放入360顆成熟、飽滿、晒到乾透的大麥,在另一個托盤裡注入同等重量的清水,再把托盤裡的清水倒進玻璃杯,玻璃杯裡的清水有多少,做為容量單位的一盎司就有多少。
也就是說,一盎司既是360顆大麥的重量,又是與360顆大麥等重的一杯水的容量。
十六世紀蘇格蘭的木雕扇貝雙耳酒杯,容量為一盎司。
盎司確定了,品脫、夸脫、加侖也就確定了。
稍做計算就能知道,一品脫的水與7200顆大麥等重,一夸脫的水與14400顆大麥等重;一加侖的水與57600顆大麥等重。
大麥有大有小,但是將幾百顆、幾千顆、幾萬顆大麥混在一起稱重,得到的會是平均重量,可以抵消顆粒之間的一些誤差。
伊麗莎白一世用上述方法改革英國容量單位,至少有以下三種好處:
新的容量單位不再需要用嘴測度,更衛生、更精準;
讓容量與重量掛鈎,為進一步統一度量衡奠定了基礎;
大麥是當時歐洲最常見的穀物,是最天然、最公平的容量測定標準,當交易雙方在量度上有分歧時,不用找標準容器,不用找政府裁決,隨隨便便抓一把大麥,找一架天平,簡簡單單測量一下,就能消除分歧,這對促進市場交易非常有幫助。
——本文摘自《從奈米到光年:有趣的度量衡簡史》,2020年2月,時報出版
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2018.11.15編按:國際度量衡大會將在明天(2018.11.16)拍板定案最新的「一公斤」定義,也就是說,參考的標準將從實體的「鉑銥公斤原器」改為基於更加精準的「普朗克常數」,大會決議後,新的定義將在2019.05.20正式生效。
究竟國際通用百年的「公斤」定義為何要改變、要如何改變,讓我們一起來了解吧!
未來,一公斤將可能不再是我們熟知的一公斤,一公尺也不再是一公尺,這並不是在暗示你的身高體重又隨著年歲的變化,而是我們的七大國際單位制又有機會更新啦!這對整個科學界來說,可能是比諾貝爾獎更激動的大事件啊!
科學界即將在2018年更新測量單位,但放心,你的身高體重或腰圍都不會突然改變。
圖片來源:Maxpixel
雖然iPhone幾乎每年推出新版本,微軟也在三十多年之間從windows1一路更新到了windows10,不過軟硬體規格不合,勉強能靠著轉接頭、發布更新檔湊合著用,但度量衡這種涉及全球各行各業的標準,不能說改就能改的,每次要更新都得從長計議。
原本科學家將質量、長度、時間、電流、溫度、物質量、發光強度,這七個物理現象的單位定義為「公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)和燭光(cd)」而根據國際度量衡委員會(CIPM)提出一份新草案,將除去國際單位制中科學家所假設的數值,全部改由自然界的基礎常數來訂定,一但通過後,期盼讓整個世界的測量系統都將變得更加精確。
有關全球各種單位與國際單位制的演變由來,可以參考泛科學的《科學大爆炸》:
我們原本用的單位從哪裡來?
國際單位制(法文SystèmeInternationald’Unités,簡稱SI)可說是全世界測量系統的基礎,此制度最早源自於1799年法國大革命時期科學家所發展的「公制」,經過1960年第十一屆國際度量衡大會修改調整後,推薦給全球使用,再經過一次次更新,成為我們現在的國際單位制。
目前七大國際單位制當中,有六個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有一個單位可以用實際物體來表示,那就是「公斤」。
(不過在1960年以前,公尺也有一根實體棍子來代表喔!)
一公斤到底是什麼呢?一般人可能會直覺回答:「1000公克?」,但實際上能堂堂正正喊出「我就是童叟無欺的一公斤」的最高權威,是一塊放在法國巴黎近郊的國際標準局(BIPM)保險箱的標準砝碼「國際公斤原器(InternationalPrototypeoftheKilogram,簡稱IPK)」。
IPK是由90%鉑(platinum)及10%銥(iridium)打造,大小大概如高爾夫球的鉑合金直立圓柱體,平時放在真空封存的三層玻璃罩內。
全球還有許多IPK的複製品,作為各國自己校正單位的標準,例如台灣在1995年向BIPM購買的編號第78號「鉑銥公斤原器」,保存於在新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」中,每十年送回BIPM追溯一次。
還有另一件可以提到的原器複製品是自日治時期留下,現在收藏在高雄科學工藝博物館。
國際公斤原器的電腦示意圖。
圖/GregL,CCby3.0,wikimediacommons.
雖然巴黎的IPK號稱是正港的一公斤。
但即使選用不易膨脹和氧化的材質,收藏環境也受嚴密監控,IPK還是個會隨著時間逐漸發生變化的「凡物」,包含灰塵、濕氣或觸摸時的油汙都會影響它的質量。
事實上它可能已微量的發胖了,這讓科學家們有點尷尬啊,因為他們的研究結論常常是建立在永恆不變的單位上頭。
所以新單位會變得怎麼樣呢?
預計到了2018年第26屆國際度量衡大會,國際度量衡委員會的草案內容仍會維持「公尺(metre)、公斤(kilogram)、秒(second)、安培(ampere)、克耳文(Kelvin)、莫耳(mole)和燭光(candela)」七大單位,讓SI在不用大規模更動的情況下,確保當前測量方法的連續性。
其中變化最大的,當然是最後一個使用實體標準的「公斤」,因為科學界將放棄末代小金屬圓柱(IPK哭哭),改用普朗克常數定義。
普朗克常數用來描述電磁波能量和頻率之間的關係(普朗克-愛因斯坦關係式E=hν。
其中,E是能量,ν是頻率和h是普朗克常數)是科學中最重要的數字之一,但非常難測量。
物理學家們花了二十多年,尋求各種可斷定普朗克常數的方法,其中包含瓦特天平器(WattBalance)。
近期任職於美國國家標準與技術局(NIST)的物理學家史蘭明格(StephanSchlamminger)團隊宣布已取得初步成果:他們把已知質量的物體擺在瓦特天平器的一端,另一端則對線圈施加電流產生機械力,與物體因重力下拉的力達到平衡。
從電磁力算出普朗克常數的值後,再透過質能互換公式「E=mc2」求得質量,精準度可達3.4×10-8。
該團隊預計2017年7月會再次公布他們獨立測量的結果。
等到2018年國際度量衡大會從各團隊測量出的數值中,正式挑出一個最準確的版本為最終值後,IPK就可以退休了。
美國國家標準技術研究所的瓦特天平。
圖片來源:RichardSteiner@wikipeda,byCC3.0
另一個測量電流的單位「安培」,目前定義為真空中,兩條無限長、無敵細,且相距一公尺的平行導線通過恆定電流時,兩者交互作用所產生某一程度的力,就是一安培。
但……無限長、無敵細的導線在現實中根本不存在啊,換掉換掉,改用可以真正被測量的基本電荷吧!克耳文和莫耳也將分別從水的三相點及相對原子質量,改由明確的波茲曼常數(Boltzmannconstant)和亞佛加厥常數(Avogadroconstant)來定義。
原本就以自然常數定義的公尺、秒和燭光,只需要根據新草案調整一下當前的數值。
完整的單位制度變化可見下圖:
2018年新單位制通過後,國際單位制的定義將從左圖改為右圖。
圖/EmilioPisanty@Wikipedia
「說了這麼多,所以對我會造成什麼影響嗎?2018年過後,我的身高可以從表定160公分灌水成180公分,或是體重(名義上)瞬間少十公斤嗎?」
呃……確實不會。
但對科學界來說,準確的單位制度可是物理學研究的基礎,而新單位制度也是建立於最新的科學研究上,包含量子機械法則及相對論等。
新制度上路後,只要沒有突然發現什麼新的自然常數,研究人員就能放心使用好一陣子啦。
參考資料:
FIONAMACDONALD,Ourunitsofmeasurementarefinallyabouttogetanupgrade.ScienceAlert.[3NOV2016]
ProposedredefinitionofSIbaseunits
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