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作者：记者 倪伟波综合报道 来源： 发布时间：2018-12-5 18:23:33
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1千克是多少？1000克还是2.20462磅？这些数量的确定究竟从何而来？人们又是如何确定他们使用的是相同的计量方法呢？
自1889年以来，国际计量大会（CGPM）成员国同意使用一种标准的金属块来定义“千克”。这是一个闪闪发光的铂铱合金圆柱体——国际千克原器（IPK），它储存在位于法国塞夫勒的国际计量局（BIPM）的地下室里。
根据界定，国际千克原器的重量正好是1千克。如果国际千克原器发生了变化，那么整个全球测量系统也必须改变。
国际千克原器及其复制品是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好材料及工艺制成的，在当时也满足了人们对于计量基准准确度及稳定性的要求。尽管国际千克原器存储在一个高度受控的环境下，但其重量不可避免会随一些不易控制的物理、化学过程的发生而改变。
为了解决这个问题，世界各地的科学家花了近20年的时间来讨论如何根据自然常数的测量来定义“千克”。现在他们终于做出了决定。
2018年11月16日，来自60多个国家的代表齐聚法国凡尔赛，参加第26届国际计量大会。在这次大会上，各国代表通过了关于“修订国际单位制（SI）”的决议，对千克、安培、开尔文、摩尔的定义进行了更新。决议将于2019年5月20日正式生效。
此次更新的4项基本单位中，“千克”无疑是最受关注的。新的“千克”定义将以量子力学中的普朗克常数为基准，其原理是将移动质量１千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。
重新定义“千克”是几十年来全世界范围内对普朗克常数进行精确测量的结果，这一数值经得起科学检验。
在为此不懈努力的Jon Pratt看来，这是对一个永恒真理的承认——即自然拥有我们所有人都服从的法则，而且还向崇高的梦想迈进了一步——在理解自然法则的过程中，科学家可以帮助建立一个更美好的世界。
无形基础设施
在Pratt工作的国家标准与技术研究所（NIST），测量常常被描述为现代世界的“无形基础设施”。一个人所做的每件事——无论是检查时钟、预报天气、做饭、制造火箭、签订合同，甚至发动战争——都需要某种测量。
18世纪末期，法国科学院计划将“克”作为质量基本单位，并制作实物基准器。但受工艺和测量技术所限，只能制造出质量是“克”的1000倍的标准器，千克原器由此而来。
1875年，17国共同签署了《米制公约》，自此，国际单位制这一国际测量体系正式生效，该系统创始人之一的愿景是“适用于任何时代，并为全人类所用”。“这是一种乐观的观点。”Pratt表示，“他只是想象这项科学事业……将成为一股强大的自由力量和推动世界前进的强大力量。”
1879年，英国Johnson-Matthey公司制造了3个圆柱体砝码（KI、KII、KIII）作为国际千克原器的备选样品。1880年，经过对3个圆柱体砝码的多次测量和校准，证明KIII与千克档案中记录的质量一致。
1882年，KIII作为国际千克原器，由国际计量局保管。国际千克原器是一个高和底面直径均为39毫米的正圆柱体，它由铂铱合金制成，铂含量为90%，铱含量为10%，合金密度约为21500千克/米3。铂的稳定性符合千克原器的要求，铱可增强其耐腐蚀性。
随后，国际计量局将基于原型复制的副本分发给《米制公约》的签署国。如今，这件有着139年历史的实物原器依然被保存在Pratt实验室楼下一个戒备森严的地下室里。
众所周知，光速、原子的行为反应、电磁的性质等都是自然界的基本特征，无论观测者是在地球上还是在火星上，无论是1875年还是2018年，这些都不会改变。
但是被称为“Le Grand K”（大K）的国际千克原器是由人类制造的，并受制于我们所有的限制。装有大K的玻璃保险箱有着严格的要求，只能由3个带有3把独立钥匙的保管人打开，而且在过去139年中，保险箱打开的次数不超过12次。
然而，当大K在上世纪80年代被检测时，它的重量比预期少了几微克，作为唯一实物基准的国际千克原器的稳定性受到了科学家的质疑。因此，在2014年国际计量局的一次会议上，计量学界决定重新定义“千克”。
追求完美
有科学家提出，可以使用自然界中的基本物理常数来重新定义质量单位，因为这些物理常数的定义不会改变，用它们来定义包括“千克”在内的基本单位，就再也不用担心随时间推移会影响单位的量值了。
自量子物理学家马克斯·普朗克发现能量是用离散单位表示的（即量子化的）已经过去100多年了，但他的常数——一个描述这些能量包大小的数字——一直难以确定。
而且，只有两种实验装置允许科学家计算这个数字，它们都需要稀有和昂贵的工具。一种技术是由阿伏伽德罗项目团队首创，它涉及在两个硅—28球体中对原子进行计数，其中每个球体的重量和“千克”参照量相同。这使其得以计算出一个阿伏伽德罗常数，研究人员再将其转化成普朗克常数值。
另一种方法是利用一台被称为瓦特天平的设备，通过称重测试质量产生普朗克常数值，而测试质量根据“千克”参考量和电磁力的对照进行校正。这不是普通的比例——两位英国科学家花了几十年时间发明和改进了这种仪器，目前世界上只有两台仪器足以达到国际计量局的高精度标准。
一台在加拿大，另一台则位于Pratt的实验室。“这真的是一件很棒的仪器。”Pratt说道，“我喜欢来这里盯着它看。”
这台庞大机器的建造耗时5年，它与职业篮球运动员一样高，像迪斯科球灯一样闪亮，上面有一个碳化钨支点，平衡装置就在这个支点上，以及一个1吨重的磁铁。当实验进行时，整个平衡装置被放置在一个真空室中，任何操作仪器的人都必须穿戴发网、实验服和鞋套。Pratt和他的同事测量了每一个可能影响结果的因素，从房间的温度到地球引力的强度。
“从物理学的角度来说，我们真的是在追求完美。”Pratt说，“我们真的需要让事情表现得像它们的理想化版本一样。”
根据2014年的决议，至少需要一台仪器来计算普朗克常数，使其不确定度仅为十亿分之二十，或者被认为在正确数值的0.000002%之内。
2017年6月30日，在向国际计量局计量委员会提交数值的截止日期的前一天，Pratt和他的团队最终公布了一个符合这个标准的结果，且他们的不确定性只有十亿分之十三。
对于不经意的观察者来说，这一数字可能难以理解。但对Pratt来说，测量它的感觉就像揭开了宇宙的帷幕，揭示了其最深处的运作方式。
适用于任何时代
在一个不起眼的联邦机构的地下室里，Pratt和他的团队成员几乎达到了一个人类从未达到的完美标准。
他们超越了人类的偏见和世俗的缺陷，使得观察如此精确，它将“适用于任何时代和全人类”——或者至少，终有一天，科学家能够拉开另一层帷幕，消除关于这一基本物理事实的不确定性。
Pratt和他的同事并不是唯一耗费十年时间来追求普朗克常数的科学家。在加拿大，研究人员使用瓦特天平已经实现了一种测量方法，其不确定性甚至比NIST还低；德国和日本的研究小组也使用硅球技术进行了类似的精确测量。
但并非所有的测量结果都能达成一致。在计量学界，人们可能会因对小数点的吹毛求疵而进行辩论，这种差异可能是灾难性的。“有很多人含糊其辞，甚至一度有人质疑是否会举行（投票）。”Pratt直言。
当然，这场辩论无疑是这一进程的重要组成部分。只有通过反复的观察、反驳和证实，一个想法才会成为全球公认的事实，是它让科学超越了科学家。
“这是一个激动人心的时刻，我真的为人类感到自豪。”Pratt微笑着说道。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年11月刊 科学·深度)
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