被重新定义的千克单位：这些统一的度量衡体系都是怎么来的？

 

现实中可能没多少人想看一块铁块，但是这块名为Le Grand K的铁块是一个多世纪以来质量测量的官方权威，更正式的名称是“国际千克”(International Prototype kg，简称IPK)，保存于巴黎市中心西南约6英里的塞夫勒郊区的国际度量局(International Bureau of Weights and Measures，简称BIPM)中，IPK是一个小型金属圆柱体，被锁在一个恒温保险库里，要打开这个保险库的话需要三条分别由三个不同官员持有的钥匙。

康涅狄格州出生的物理学家理查德·戴维斯(Richard Davis)在最近带我参观了国际度量局，但他对保险库的实际位置闭口不言：“我不会说它在哪个房间，但我可以告诉你它就在这栋楼里。”我们查看了国际度量局的许多其他国际千克的复制品，但IPK无疑不在此列。尽管如此，戴维斯还是很乐意向我描述它：它是由一种合金制成的，这种合金的铂含量为十分之九，铱含量为十分之一;它有着圆柱形的外表，高度略低于4厘米(略高于1.5英寸)，直径也差不多。

至于它的重量，当然是1千克了，它的重量的定义就是1千克，当我们说一包糖重1千克时，我们的意思是它的重量和这个巴黎圆柱体一样。但是IPK的日子现在是屈指可数了。去年11月在凡尔赛举行的第26届重量与测量大会上，来自57个国家的科学家投票决定改变千克的定义。新的定义将基于一个被称为普朗克常数的自然基本常数的值，而当它在5月份生效时，IPK将面临像冥王星一样的降级。

虽然重新定义不会对普通消费者产生明显的影响，但它将会产生一系列连锁反应，影响未来所有重量的确定，毕竟你当地的超市秤必须根据一组金属砝码来进行校准，而这一组金属砝码又是根据其他砝码来进行校准的，而其他砝码最终又会回到IPK。所有这些最终都会令人非常头疼。更糟糕的是，随着时间的推移，IPK可能会增加或减少少量重量——这反过来又会使人们对所有其他重量测量方法产生怀疑。

而在新系统的情况下，只要使用合适的设备，重量校准在各地就能独自完成，免去了我们到巴黎的长途跋涉。与IPK不同，基于普朗克常数的千克永远不会发生变化，虽然国际千克的微小变化对超市里香蕉的重量不会有太大影响，但在某些领域，比如药品生产或监测工业污染物，精确度是至关重要的(毫克甚至微克都很重要)。

国际公制最初是在法国大革命之后发展起来的，其目的是使度量衡制尽可能不受任意定义的影响;理想情况下，这套国际单位应该来自我们居住的星球。

因此，“米”被宣布是赤道沿着子午线穿过巴黎到达北极的距离的千万分之一。然而这还不够，我们仍然需要一个物理原型：一个长度与此相当的铂铱棒被切割了出来，成为了官方的”米”，这个米的副本被分发到世界各地。与此同时，“秒”则被定义为平太阳日(地球相对于太阳完成一次自转的平均时间)的86400分之一。

但是1千克又应该有多重呢?显而易见的解决办法是把它和米连接起来：千克最初的定义是在4摄氏度的温度下，一立方分米的水的重量。“4摄氏度”这个要求是必要的，因为随着温度的变化，水会膨胀和收缩，但很不幸这个条件使得这个定义有点笨拙。因此，在1779年，法国政府将千克定义为一个铂圆柱体的质量，这个铂圆柱体的质量尽可能地等于此前千克基于水的理想定义。

1889年，在巴黎举行的度量衡大会的代表决定使用另一个物理原型：这个物理原型的质量将会被定义为是1千克，在制造的时候这个物理原型被精心制造成1799年的千克重量。一克，自然就是这个重量的千分之一了，一毫克则是一克的千分之一，或者一千克的百万分之一，所有重量无论大小，都来自这个1千克原型。

一直到今天，IPK都被放在巴黎附近的保险库里。为了安全起见，当时制作IPK的时候人们还制作了两个相同的圆柱体，被称为temoins，或备份(后来备份增加到六个，另外还制作了几十个相同的圆柱体分发到各个国家)。这时一些问题开始出现了：随着时间推移，这些千克备份的管理员注意到这些备份的重量变得略高于IPK，而且没有人知道究竟的IPK轻了(物理退化或损伤的结果)还是备份变得越来越重(通过污染物的累积)，或这两个可能都同时发生。戴维斯谈到IPK时说：“这是人工制品，我们不能保证它会保持稳定。”

物理原型的问题在于如果它“感冒”了，它所产生的一切都会跟着“打喷嚏”。“你在上面留个拇指印也没关系;它仍然是1千克，而世界其他地方的标准都会跟随它变得更轻或更重，”巴里·伍德说，巴里是渥太华国家研究委员会的物理学家，加拿大的官方千克就处于渥太华。(渥太华标准千克的材料与IPK相同，并且每隔几年就会被运往BIPM重新校准。)

随着科学家们逐渐认识到物理原型的缺点、以及开发出更精确的测量方法，秒和米的定义都发生了变化。1960年，米被重新定义为氪某一同位素发射的辐射波长的长度。后来，物理学家们又意识到原子的振动相比于地球的自转来说更好借鉴，于是在1967年物理学家们将秒重新定义为铯的某一特定同位素振动9192631770次所需的时间长度。当秒被确定下来之后，重新定义米又变得有意义了，1983年，米被设定为光在299792458之一秒的内传播的距离。(重新定义米之后，光速被固定为每秒299，792，458米。)

那质量的等效技巧是什么?在这里，物理学家转向另一个自然常数，普朗克常数。讲到普朗克常数，似乎没有人比乔恩·普拉特更有资格来解释它了，他的前臂上纹着普朗克常数的精确值。(从他酷似大卫·伯恩的外表，我猜测他是兼职音乐家，事实证明我也猜对了)。

直到去年年底，普拉特还是马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究院(NIST)量子测量部门的负责人。他解释说，普朗克常数出现在量子力学的公式中，并且用符号h表示。根据2017年NIST科学家们的测量显示，它等于(这时候我向普拉特的胳膊靠近仔细看了看) 6.626069934(89)x 10-34 J s。括号的最后两位数字表明，物理学家对它们不太确定(不过，九位小数已经算是不错了)，“J s”是指焦耳-秒(joule-seconds，1焦耳-秒等于1焦耳乘以1秒，焦耳是一个能量单位)。

幸运的是，1焦耳也等于1千克乘以米的平方再除以秒的平方，这意味着我们可以说普朗克常数中本来就含有千克。因此，人们一直希望，如果物理学家能够以足够的精度确定普朗克常数的话，他们就可以把它定义为一个固定的量(就像他们对光速所做的那样)，从而为重新定义千克做好准备。

“实际上这是很复杂，但从概念上说这很简单。”普拉特引用了两个等式——一个是我们熟悉的E=mc2，另一个是我们比较少知道的E=hv。第一个方程通过光速把能量和质量联系起来;第二个通过普朗克常数(h)将光子(光的粒子)的能量和频率(v)联系起来。普拉特说，有了这两个方程，“我得到了可以从中导出质量的一个关系。”

之后就是一种被称为“基布尔秤”的神奇装置粉墨登场的时候了。在基布尔秤中，一个物体的重量是由一个电磁力来平衡的，这个电磁力可以通过调节流经导线的电流来实行精确控制。一旦力达到平衡，再做一些额外的测量，你就可以用物体的质量来计算普朗克常数的值。一旦你确信你已经尽可能精确地测量到了普朗克常数，你就可以“固定”它的值，并利用基布尔秤来给出一个物体的质量。

这就是我们现在所处的位置：从这个春天开始，普朗克常数将被固定为一个固定值，就像1983年光速被固定成一个固定值一样。官方的数值将是6.62607015 x 10-34 J s，这个数值是普拉特手臂纹身数值的改进版本，使得NIST的结果与一项使用完全不同方法的国际合作的结果相一致。

但这个数字并不是普拉特的纹身中最有趣的部分，数值纹身上面那个自由女神那样的女士也不是(纹身中的女人一只手拿着一根米尺，另一只手拿着1千克)，纹身的关键信息是这个女人上方的一个句子：“A tous les temps, a tous les peuples”(“为所有时代，为所有人”)——这是马奎斯·孔多塞的一句座右铭，他是法国的一个哲学家和数学家，主张我们现在所称的公制(以及种族和性别平等)。

普拉特说，随着我们朝着完全基于自然界普遍属性的度量衡体系迈进，我们正在使得称重和计量更加民主，而开发一个我们都一致同意的系统把人们团结在了一起，这是一种团结的力量。

普拉特说：“我们希望分享我们的经验，而我们分享经验的方式就是就我们对世界的观察达成一致。”只要不同的民族和国家使用不同的衡量体系，争吵就会变得不可避免。他说：“如果我们能够在测量的共同基础上达成一致的话，那人类将会走的更远。”

事实上，仅仅着手建立这些共同的措施就已经产生了团结的效果。普拉特以皮埃尔·梅尚(Pierre Mechain)为例，这位法国科学家在18世纪90年代负责测量从敦刻尔克到巴塞罗那的巴黎子午线，以确定经线的长度。这项任务要求他在西班牙的领土上进行测量，但考虑到法国和西班牙当时正处于战争状态，这就变得很尴尬了。但西班牙当局认为梅尚的工作是为了全体人类的利益，所以允许他在巴塞罗那做必要的三角测量工作，甚至在两军相互厮杀的时候给他提供补给。“我认为对人类的能力而言这是一个非常积极和有力的例子，”普拉特说。

人们经常错误地说美国与利比里亚和缅甸一样，是少数几个尚未正式采用公制的国家之一。然而，美国科学家和研究人员长期以来都在他们的工作中使用公制单位——公制只是还没有渗透到日常使用中，正如普拉特指出，“我们已经习惯了伴随我们成长的计量单位。”

虽然修正后的千克数可能对人类有好处，但对Le Grand K来说却不是什么好兆头，正如冥王星现在变成了矮行星一员一样，IPK很快就会变成另一个平平无奇的一千克重圆柱体——就像作者西蒙·温彻斯特(Simon Winchester)最近说的那样，这是一种“耻辱的降级”。然而，与我交谈过的物理学家中，似乎很少有人怀念它的逝去，只有普拉特在NIST的同事、物理学家帕特里克·阿博特(Patrick Abbott)似乎对这件事有点伤感。

他说：“尽管它有很多缺点，也很少为人所用，但在130多年来，它仍然做得非常非常出色，如果就这样让这段历史结束的话那将会是一种悲哀，但是时候了，长江后浪推前浪，是时候了。”

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