1千克是多少？1000克還是2.20462磅？這些數(shù)量的確定究竟從何而來(lái)？人們又是如何確定他們使用的是相同的計(jì)量方法呢？
自1889年以來(lái)，國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）成員國(guó)同意使用一種標(biāo)準(zhǔn)的金屬塊來(lái)定義“千克”。這是一個(gè)閃閃發(fā)光的鉑銥合金圓柱體——國(guó)際千克原器（IPK），它儲(chǔ)存在位于法國(guó)塞夫勒的國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的地下室里。
根據(jù)界定，國(guó)際千克原器的重量正好是1千克。如果國(guó)際千克原器發(fā)生了變化，那么整個(gè)全球測(cè)量系統(tǒng)也必須改變。
國(guó)際千克原器及其復(fù)制品是用19世紀(jì)末20世紀(jì)初工業(yè)界所能提供的最好材料及工藝制成的，在當(dāng)時(shí)也滿足了人們對(duì)于計(jì)量基準(zhǔn)準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求。盡管?chē)?guó)際千克原器存儲(chǔ)在一個(gè)高度受控的環(huán)境下，但其重量不可避免會(huì)隨一些不易控制的物理、化學(xué)過(guò)程的發(fā)生而改變。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，世界各地的科學(xué)家花了近20年的時(shí)間來(lái)討論如何根據(jù)自然常數(shù)的測(cè)量來(lái)定義“千克”�，F(xiàn)在他們終于做出了決定。
2018年11月16日，來(lái)自60多個(gè)國(guó)家的代表齊聚法國(guó)凡爾賽，參加第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)。在這次大會(huì)上，各國(guó)代表通過(guò)了關(guān)于“修訂國(guó)際單位制（SI）”的決議，對(duì)千克、安培、開(kāi)爾文、摩爾的定義進(jìn)行了更新。決議將于2019年5月20日正式生效。
此次更新的4項(xiàng)基本單位中，“千克”無(wú)疑是最受關(guān)注的。新的“千克”定義將以量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)為基準(zhǔn)，其原理是將移動(dòng)質(zhì)量１千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過(guò)質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。
重新定義“千克”是幾十年來(lái)全世界范圍內(nèi)對(duì)普朗克常數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量的結(jié)果，這一數(shù)值經(jīng)得起科學(xué)檢驗(yàn)。
在為此不懈努力的Jon Pratt看來(lái)，這是對(duì)一個(gè)永恒真理的承認(rèn)——即自然擁有我們所有人都服從的法則，而且還向崇高的夢(mèng)想邁進(jìn)了一步——在理解自然法則的過(guò)程中，科學(xué)家可以幫助建立一個(gè)更美好的世界。
無(wú)形基礎(chǔ)設(shè)施
在Pratt工作的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST），測(cè)量常常被描述為現(xiàn)代世界的“無(wú)形基礎(chǔ)設(shè)施”。一個(gè)人所做的每件事——無(wú)論是檢查時(shí)鐘、預(yù)報(bào)天氣、做飯、制造火箭、簽訂合同，甚至發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)——都需要某種測(cè)量。
18世紀(jì)末期，法國(guó)科學(xué)院計(jì)劃將“克”作為質(zhì)量基本單位，并制作實(shí)物基準(zhǔn)器。但受工藝和測(cè)量技術(shù)所限，只能制造出質(zhì)量是“克”的1000倍的標(biāo)準(zhǔn)器，千克原器由此而來(lái)。
1875年，17國(guó)共同簽署了《米制公約》，自此，國(guó)際單位制這一國(guó)際測(cè)量體系正式生效，該系統(tǒng)創(chuàng)始人之一的愿景是“適用于任何時(shí)代，并為全人類(lèi)所用”。“這是一種樂(lè)觀的觀點(diǎn)。”Pratt表示，“他只是想象這項(xiàng)科學(xué)事業(yè)……將成為一股強(qiáng)大的自由力量和推動(dòng)世界前進(jìn)的強(qiáng)大力量。”
1879年，英國(guó)Johnson-Matthey公司制造了3個(gè)圓柱體砝碼（KI、KII、KIII）作為國(guó)際千克原器的備選樣品。1880年，經(jīng)過(guò)對(duì)3個(gè)圓柱體砝碼的多次測(cè)量和校準(zhǔn)，證明KIII與千克檔案中記錄的質(zhì)量一致。
1882年，KIII作為國(guó)際千克原器，由國(guó)際計(jì)量局保管。國(guó)際千克原器是一個(gè)高和底面直徑均為39毫米的正圓柱體，它由鉑銥合金制成，鉑含量為90%，銥含量為10%，合金密度約為21500千克/米3。鉑的穩(wěn)定性符合千克原器的要求，銥可增強(qiáng)其耐腐蝕性。
隨后，國(guó)際計(jì)量局將基于原型復(fù)制的副本分發(fā)給《米制公約》的簽署國(guó)。如今，這件有著139年歷史的實(shí)物原器依然被保存在Pratt實(shí)驗(yàn)室樓下一個(gè)戒備森嚴(yán)的地下室里。
眾所周知，光速、原子的行為反應(yīng)、電磁的性質(zhì)等都是自然界的基本特征，無(wú)論觀測(cè)者是在地球上還是在火星上，無(wú)論是1875年還是2018年，這些都不會(huì)改變。
但是被稱為“Le Grand K”（大K）的國(guó)際千克原器是由人類(lèi)制造的，并受制于我們所有的限制。裝有大K的玻璃保險(xiǎn)箱有著嚴(yán)格的要求，只能由3個(gè)帶有3把獨(dú)立鑰匙的保管人打開(kāi)，而且在過(guò)去139年中，保險(xiǎn)箱打開(kāi)的次數(shù)不超過(guò)12次。
然而，當(dāng)大K在上世紀(jì)80年代被檢測(cè)時(shí)，它的重量比預(yù)期少了幾微克，作為唯一實(shí)物基準(zhǔn)的國(guó)際千克原器的穩(wěn)定性受到了科學(xué)家的質(zhì)疑。因此，在2014年國(guó)際計(jì)量局的一次會(huì)議上，計(jì)量學(xué)界決定重新定義“千克”。
追求完美
有科學(xué)家提出，可以使用自然界中的基本物理常數(shù)來(lái)重新定義質(zhì)量單位，因?yàn)檫@些物理常數(shù)的定義不會(huì)改變，用它們來(lái)定義包括“千克”在內(nèi)的基本單位，就再也不用擔(dān)心隨時(shí)間推移會(huì)影響單位的量值了。
自量子物理學(xué)家馬克斯·普朗克發(fā)現(xiàn)能量是用離散單位表示的（即量子化的）已經(jīng)過(guò)去100多年了，但他的常數(shù)——一個(gè)描述這些能量包大小的數(shù)字——一直難以確定。
而且，只有兩種實(shí)驗(yàn)裝置允許科學(xué)家計(jì)算這個(gè)數(shù)字，它們都需要稀有和昂貴的工具。一種技術(shù)是由阿伏伽德羅項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)，它涉及在兩個(gè)硅—28球體中對(duì)原子進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中每個(gè)球體的重量和“千克”參照量相同。這使其得以計(jì)算出一個(gè)阿伏伽德羅常數(shù)，研究人員再將其轉(zhuǎn)化成普朗克常數(shù)值。
另一種方法是利用一臺(tái)被稱為瓦特天平的設(shè)備，通過(guò)稱重測(cè)試質(zhì)量產(chǎn)生普朗克常數(shù)值，而測(cè)試質(zhì)量根據(jù)“千克”參考量和電磁力的對(duì)照進(jìn)行校正。這不是普通的比例——兩位英國(guó)科學(xué)家花了幾十年時(shí)間發(fā)明和改進(jìn)了這種儀器，目前世界上只有兩臺(tái)儀器足以達(dá)到國(guó)際計(jì)量局的高精度標(biāo)準(zhǔn)。
一臺(tái)在加拿大，另一臺(tái)則位于Pratt的實(shí)驗(yàn)室。“這真的是一件很棒的儀器。”Pratt說(shuō)道，“我喜歡來(lái)這里盯著它看。”
這臺(tái)龐大機(jī)器的建造耗時(shí)5年，它與職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)員一樣高，像迪斯科球燈一樣閃亮，上面有一個(gè)碳化鎢支點(diǎn)，平衡裝置就在這個(gè)支點(diǎn)上，以及一個(gè)1噸重的磁鐵。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，整個(gè)平衡裝置被放置在一個(gè)真空室中，任何操作儀器的人都必須穿戴發(fā)網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)服和鞋套。Pratt和他的同事測(cè)量了每一個(gè)可能影響結(jié)果的因素，從房間的溫度到地球引力的強(qiáng)度。
“從物理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，我們真的是在追求完美。”Pratt說(shuō)，“我們真的需要讓事情表現(xiàn)得像它們的理想化版本一樣。”
根據(jù)2014年的決議，至少需要一臺(tái)儀器來(lái)計(jì)算普朗克常數(shù)，使其不確定度僅為十億分之二十，或者被認(rèn)為在正確數(shù)值的0.000002%之內(nèi)。
2017年6月30日，在向國(guó)際計(jì)量局計(jì)量委員會(huì)提交數(shù)值的截止日期的前一天，Pratt和他的團(tuán)隊(duì)最終公布了一個(gè)符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，且他們的不確定性只有十億分之十三。
對(duì)于不經(jīng)意的觀察者來(lái)說(shuō)，這一數(shù)字可能難以理解。但對(duì)Pratt來(lái)說(shuō)，測(cè)量它的感覺(jué)就像揭開(kāi)了宇宙的帷幕，揭示了其最深處的運(yùn)作方式。
適用于任何時(shí)代
在一個(gè)不起眼的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的地下室里，Pratt和他的團(tuán)隊(duì)成員幾乎達(dá)到了一個(gè)人類(lèi)從未達(dá)到的完美標(biāo)準(zhǔn)。
他們超越了人類(lèi)的偏見(jiàn)和世俗的缺陷，使得觀察如此精確，它將“適用于任何時(shí)代和全人類(lèi)”——或者至少，終有一天，科學(xué)家能夠拉開(kāi)另一層帷幕，消除關(guān)于這一基本物理事實(shí)的不確定性。
Pratt和他的同事并不是唯一耗費(fèi)十年時(shí)間來(lái)追求普朗克常數(shù)的科學(xué)家。在加拿大，研究人員使用瓦特天平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種測(cè)量方法，其不確定性甚至比NIST還低；德國(guó)和日本的研究小組也使用硅球技術(shù)進(jìn)行了類(lèi)似的精確測(cè)量。
但并非所有的測(cè)量結(jié)果都能達(dá)成一致。在計(jì)量學(xué)界，人們可能會(huì)因?qū)π?shù)點(diǎn)的吹毛求疵而進(jìn)行辯論，這種差異可能是災(zāi)難性的。“有很多人含糊其辭，甚至一度有人質(zhì)疑是否會(huì)舉行（投票）。”Pratt直言。
當(dāng)然，這場(chǎng)辯論無(wú)疑是這一進(jìn)程的重要組成部分。只有通過(guò)反復(fù)的觀察、反駁和證實(shí)，一個(gè)想法才會(huì)成為全球公認(rèn)的事實(shí)，是它讓科學(xué)超越了科學(xué)家。
“這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，我真的為人類(lèi)感到自豪。”Pratt微笑著說(shuō)道。■