歷史 物理

1920年諾貝爾物理獎:夏爾・紀堯姆

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-07-01
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  • 1920年的諾貝爾物理奬由夏爾・紀堯姆(Charles Édouard Guillaume)奪得。他發現了幾種近乎不會熱脹冷縮的鎳鋼合金(nickel-iron alloy),使科學測量準確度大大提昇。
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    [夏爾・紀堯姆的諾貝爾獎官方照片。]
     
    從前,世界並沒有統一的度量衡標準。有些地方以人類身體尺寸去做量度長度的單位。因為身體尺寸因人而異,明顯這並非一個好的標準。即使同一國家的人身體尺寸亦有所分別,更遑論用來做國際標準。
     
    一個以客觀物理測量方式定義的全國性度量衡標準,首先出現在法國。1791年3月30日,由科學家和工程師組成的委員會使用十進制把長度單位「米」定義為通過巴黎的子午線的象限的一千萬分之一。1795年,科學家改以青銅製柱的長度去定義米。此後,直到1960年10月14日之前,米都是以實體定義,只是利用不同合金去改良了幾次。
     
    每種金屬或金合,都有各自的熱膨脹系數(thermal expansion coefficient)。系數越大,代表每單位溫度改變會造成越大的體積改變。由於當年長度的國際標準以實體金屬柱定義,如果存放環境的溫度改變,金屬柱長度亦會改變,標準就再不是標準了。
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    [不變鋼樣本。Image courtesy of U.S. Research Center]
     
    紀堯姆實驗過非常多種合金的熱膨脹性質,終於發現有些鎳鋼合金的熱膨脹系數差不多等於零。換句話說,這些合金的體積在任何溫度下都是不變的。紀堯姆把這類合金稱為不變鋼(invar),取自英文「不變」(invariant)。直到現在,不變鋼仍然用於測量、工程、鐘錶、科研器材等領域之中。
     
    紀堯姆的發現令科學測量準確度得以改良,亦直接加速了科學研究發展。由於實體定義長度的誤差已達到極限,國際計量局(Bureau international des poids et measures)在1960年10月14日把一米定義為氪-86原子的某個量子躍遷釋放的光子的波長倍數。1983年,米的定義再被改為光線於1/299792458秒之內在真空中走過的距離。這個定義一直沿用至今。
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