｜單位革命

聖經創世紀的第一句話是：起初，神創造天地。於是，宇宙中開始有了時間—起初、空間—天、與物質—地。工程是人類模仿自然發揮創造力的結果，也是人類發現自然奧秘的過程；工程的單位提供給工程師一個共同的語言及統一的標準，幫助彼此溝通，並用來比較實驗與測量的結果。大家對長度、質量、與時間已經有直接的感覺，因為這些物理量都看得到、摸得到、感覺得到，而且人類喜歡用自然界已經存在的事實，定出工程的單位，例如，最早被使用的單位是「日」，一個白天加一個晚上，就叫做一日。

在機械工程領域中，比較不容易理解的單位是牛頓(Newton），因為他是科學家的名字，但是如果你說：你拿一個大約十公斤的東西，感覺一下那股力道，就很容易知道一牛頓可以推動多重的物體。但是在電機工程的領域，許多單位就抽象多了，例如，甚麼叫做一歐姆的電阻？誰可以看到歐姆？為何電流單位要叫做安培？為何電壓單位要叫做伏特？一伏特的電壓有多大？一安培的電流有多強？如何使用容易理解的長度、質量、與時間，定義這些抽象的電學單位？這些問題在19世紀曾經引起一連串轟轟烈烈的「單位革命」。

1832年，德國數學家Gauss提出「絕對單位」的概念：在決定任何實用的基本單位時，必須與其他物理基本單位有互相參照之關係。1843年，Wheatstone教授提出標準電阻，他以重100喱 (6.48公克） 1英尺的銅為所有電阻的共同標準，當時的科學家也開使思考應用長度、質量、時間的基本單位，延伸定義出抽象的電學單位。第一次英協委員(British Association Committee）於1862年定下電學單位制定的原則：電池的單位電動勢(electromotive force, emf）要在單位電阻上產生單位電流強度，在單位時間中送出單位電量，並作單位的功。那時德國的Weber和Gauss都提出了他們的絕對電學單位，最後Kirchhoff和Siemens認為Weber提出的單位較佳，也認為應該用水銀體積作為單位電阻的標準。1861年，Sir Charles Bright和Mr Latimer Clark曾提議用科學家的名字作為單位的名稱：電流單位用galvat、電動勢單位用ohma、電量用farad、電阻用volt；另一位學者Varley卻提議：電動勢用galvad、電阻用ohmad、電流用voltad、電量用farad，但遭到Fleeming Jenkin教授的強烈反對。1864年，第三次英協委員會首先確認了用ohmad為電阻單位，後來縮寫成ohm；次年，標準ohm單位用鉑銀合金繞線製造完成，Faraday是代表英國皇家學院的第一位買主。然而，到了1881年，各國電學單位仍然一片混亂，不同的電流單位就有10個，不同的電壓單位就有12個，電阻單位多達15個[1]。

1881年9月15日到10月19日，第一次國際電學會議在巴黎召開，那時的國際會議開得真長，有幾位關鍵學者先在私下會議中，協議出兩個實用的單位：ohm和volt，這幾位學者包括英國的Lord Kelvin, William Siemens, 及德國的Helmholtz, Clausius, Kirchhoff, Wiedemann, Werner Siemens。最後在大會上通過ohm, volt, ampere, coulomb, farad五個單位，並定義單位volt在單位ohm上產生的電流是單位ampere，單位ampere在每秒產生的電量為單位coulomb，而單位coulomb產生單位volt的電量為單位farad。這些單位的制定是為了紀念建立電動力學基礎的Ampere、電靜力學基礎的Coulomb、及電學之父Faraday。三年後，定出單位ohm是在攝氏零度下、長106公分、截面1毫米平方的水銀的電阻，1889年在巴黎再次召開國際電學會議時，又定出了單位功的單位為焦耳(joule）、單位功率瓦特(watt）為每秒產生的焦耳[2]。

如今，我們對於這些電學基本單位耳熟能詳，主要原因是我們每天都會用到「他們」，我們也可以知道，這些抽象電學單位在看得到的機械運動上會產生多大的作用。例如：我們使用一個1000瓦的馬達，可以讓一輛100公斤重的電動摩托車，載一個70公斤的騎士，以每小時60公里的速度前進；也有人喜歡用馬力(horsepower）描述馬達的功率，如同一匹馬拉一輛車，往前奔馳前進的情境。我們在使用這些單位的同時，除了紀念這些偉大的科學家之外，也要感謝那些制訂共同單位的學者專家們，他們付出的時間與生命的代價。

參考資料

[1] P. Tunbridge, Lord Kelvin: His Influence on Electrical Measurements and Units, London, UK: Peter Peregrinus, Ltd., 1991.

[2] A. E. Kennely, “Historical outline of the electric units,” J. Eng. Educ., Vol. 19, pp. 229-275, 1928.