編譯 姚人杰

基布爾秤使得重新定義千克成為可能

馬里蘭州蓋瑟斯堡地下40英尺的地方，有一間明亮的白色實驗室，需要三把不同的鑰匙才能進入。美國在那里存放了一筆珍貴的收藏，正是這些亮閃閃的小型金屬圓柱體定義了這個國家所有物體的質(zhì)量。

這些圓柱體很漂亮，有著鏡子一般的表面，我得要按捺住觸碰它們的沖動。假如我果真觸碰了它們，我可能用皮膚上的油脂污染了它們，有可能增加它們的重量。美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）的“千克保管人”帕特里克·阿博特（Patrick Abbott）告訴我，那樣會十分糟糕。

目前，千克有著非常簡單的定義：它是一塊從1889年起存放于法國色佛爾的國際計量局內(nèi)的鉑銥合金的質(zhì)量。它被稱為國際千克原器（也被稱為大K或Le Grand K），在全球各地有許多復(fù)制品——包括存放于蓋瑟斯堡的NIST的7件復(fù)制品——這些復(fù)制品被用來標定刻度，確保整個世界依循同一個度量系統(tǒng)。

這兒顯示的是NIST的一個名叫K4的復(fù)制品，系采用19世紀創(chuàng)造出“大K”時的同一塊金屬鍛造而成。

好好看一眼它。因為很快，這個有著129年歷史的千克標準將會煥然一新。

2018年11月的第三個周五，來自全球各地的科學(xué)家在法國凡爾賽召開的國際計量大會上投票決定改變千克的定義，將它與宇宙中更為普遍的常數(shù)聯(lián)系在一起。這個改變將在2019年5月20日生效。

這次變動的一個重要原因在于：“大K”并非持久不變。從它被創(chuàng)造之日算起，它已經(jīng)失去大約50微克（約為一根眼睫毛的質(zhì)量）。但是，令人沮喪的情況在于，依照目前的定義，當(dāng)“大K”的質(zhì)量降低時，它仍然恰好為1千克重。

當(dāng)“大K”改變時，其他的萬物都得要適應(yīng)調(diào)整。有一種情況甚至更加糟糕：如果大K被竊，人類世界的計量系統(tǒng)會陷入一片混亂。

在周五的投票中，全球頂尖的計量科學(xué)家選擇將千克單位與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。普朗克常數(shù)是量子力學(xué)的基本概念，永遠不會改變，無論是在地球還是在宇宙深處都是不變的。

這不僅是科學(xué)的勝利，也是哲學(xué)的勝利，正如我從NIST科學(xué)家那兒獲知的那樣，這些科學(xué)家多年以來一直為基本單位的重新定義而努力，將這一刻稱為他們整個職業(yè)生涯中最令人激動的時刻。

有了新的定義后，國際計量大會完成了米制的最初夢想。法國大革命擁抱了米制，米制——它又演變成國際單位制——的設(shè)計目的在于“適用于所有時候和所有人”。

“物體總是在變化?！盢IST參與過單位重新定義的科學(xué)家斯特凡·施拉明格爾（Stephan Schlamminger）說。他說，有了新定義，我們定義單位的依據(jù)就從地球上的物體變成了天穹中的東西。

那是一件值得慶祝的事。在一個萬物似乎總是在不斷變化中的世界里，這些科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)確保千克這個單位永遠不會改變。

帕特里克·阿博特在NIST擔(dān)任“千克保管人”

位于秘魯特魯希略的稱重秤，稱重單位包括盎司、磅、克與千克

千克簡史

你如何知道一件東西的重量？我知道，世上存在顯而易見的答案：你將那件東西放在秤上。

但是，當(dāng)你去食品雜貨店，給一包蘋果稱重，那臺秤如何知道1磅重的水果有多重？

質(zhì)量度量要有意義的話，我們需要固定的比較點。那些蘋果需要比某個東西更重或更輕。為了避免混亂，并且為了允許經(jīng)濟正常運行，那個東西必須是普遍認可的。

你常去的食品雜貨店里的秤是用一套砝碼校準的，那套砝碼又是用另一套砝碼校準過的，另一套砝碼同樣是以一套砝碼校準過的，諸如此類，不斷推演。所有這些校準都追溯到NIST的內(nèi)部?？煽糠€(wěn)定的度量衡關(guān)系到的不僅僅是食品雜貨店：想象一下，假如波音公司無法弄清楚一架飛機的準確重量，或者假如制藥行業(yè)無法確定一劑極小、有可能致死的藥物的確切質(zhì)量，那會如何？

在美國，我們?nèi)匀皇褂糜⒅茊挝唬喊鹾桶凰?。但是其實我們的所有測量都源自于國際單位制，它使用米和千克作為長度和質(zhì)量的基礎(chǔ)單位。

當(dāng)說到美國境內(nèi)的質(zhì)量，所有一切都能追溯到這些冰球外形的圓柱體，它們被精準地制造出來，質(zhì)量就是1千克。按照官方的說法，在美國境內(nèi)，1磅被定義為0.453 592 37千克，1英尺被定義為0.304 8米。

然而，單位的系統(tǒng)并不總是這么井然有序。在法國大革命和米制發(fā)明之前，全球的度量衡系統(tǒng)十分混亂。

“想象這么一個世界，你每次出現(xiàn)時都得要使用不同的度量換算表，就像我們出國使用貨幣那樣。”BBC的馬達維·拉馬尼（Madhvi Ramani）解釋說，“這就是18世紀后期法國大革命爆發(fā)之前的情況，那時候的度量衡不僅在各個國家不相同，而且在國內(nèi)也有所不同?！?/p>

法國大革命是要推翻從封建時代遺留下來的舊的、過時、混亂的階級制度，秉持平等主義原則再造社會。

受到大革命的觸動，當(dāng)時的科學(xué)家希望從頭開始，建立一套全新、連貫一致的計量系統(tǒng)，不以國王隨意發(fā)布的命令為單位的基礎(chǔ)，而是以自然作為單位的基礎(chǔ)。他們的目標是要創(chuàng)造“適用于所有時候和所有人”的計量系統(tǒng)。

因此，當(dāng)國際計量局于19世紀晚期在法國建立時，“米”——長度的標準單位——被創(chuàng)造出來，定為北極到赤道距離的千萬分之一?！翱恕睆乃拿芏戎蝎@得靈感：1克粗略等于4攝氏度1立方厘米水的質(zhì)量。

為了傳播這些全新的單位，為了確保全世界的每個人理解這些單位，米制的發(fā)明者決定創(chuàng)造出物理實體去具化和定義這些單位。他們制作出一根準確等于1米長的金屬棍。他們創(chuàng)造出“大K”來代表1千克的質(zhì)量。

從19世紀起，舊米制的所有物理遺存已經(jīng)被與自然界中的恒力相關(guān)的度量取而代之。米最初定義為地球尺寸的一部分，但即便地球的外形也不是永久不變的，甚至也許地球都不是永恒不變的。于是，如今米是通過光速來定義的。單位“秒”與銫元素的原子運動建立了聯(lián)系。

到目前為止，僅有千克仍由物理實體來定義。

所以，千克的這個新定義是什么呢？請做好準備，因為這有點兒古怪。

以普朗克常數(shù)來重新定義千克背后的科學(xué)解釋

國際計量大會的周五投票獲得一致通過。但國際單位制的改變要到2019年5月才會生效。當(dāng)改變到來后，國際單位制的千克定義將會如下所述：

千克以kg為符號，是國際單位制中的質(zhì)量單位，其定義是取普朗克常數(shù)的穩(wěn)定數(shù)值為6.626 070 15 × 10-34，再將其以單位焦耳×秒來表示，該單位又等同于kg m2s-1，其中的米和秒分別用c和ΔνCs來定義。

這到底是什么鬼？

比起解釋位于法國的一塊金屬，要解釋清楚這些可是困難了許多，但且讓我們試一試吧。

基本上，國際計量大會將確定普朗克常數(shù)的數(shù)值，普朗克常數(shù)描述極小物質(zhì)如何以離散的階或塊（被稱為量子）釋放能量。

普朗克常數(shù)將會永遠確定為6.626 070 15 × 10-34m2kg/s。從普朗克常數(shù)的這個固定值，科學(xué)家能推導(dǎo)出1千克的質(zhì)量。

這一重新定義的努力已經(jīng)花費了數(shù)十年，因為普朗克常數(shù)很?。ㄋ孕?shù)點開始，后面跟著33個零），必須計算到超小的誤差邊際。這個工作需要使用非常復(fù)雜、名為基布爾秤的儀器進行仔細測量，以及對極其圓的硅球進行觀測。

這段解釋也許看起來很站不住腳，但事實也確實如此。為了更好地領(lǐng)會它，審視一下米（全世界的標準長度單位）如何重新用光速來定義是有益的，這個例子解釋了為什么必須重新定義單位。

“米”最初被定義為位于法國的國際計量局存放的一根金屬棍的長度，后來被重新定義為等于某種輻射的波長。這種定義的問題依然在于它的不精確，它并不是基于宇宙中不變的性質(zhì)。

另一方面，光速是永久不變的299 792 458米/秒?？茖W(xué)家相信，無論你在哪里，光速都是相同的。至少，假如光速改變了，那會顛覆我們所知的關(guān)于物理學(xué)的幾乎所有知識。

到了1983年，物理學(xué)家已經(jīng)非常擅長測量光速。于是，他們使用光速永久確定米的長度，確保它是永恒不變的。具體做法是：科學(xué)家重新定義米為：在1/299 792 458秒內(nèi)，光在真空傳輸?shù)木嚯x。

有詩意的方面是：科學(xué)家接受米的概念（人類發(fā)明的任意長度測量標準）并將其宇宙常數(shù)相聯(lián)系。我們混亂的人類測量已經(jīng)超越其混亂的人性；測量已經(jīng)和永恒真理融為一體。

以光速來定義的“米”與過去存放于巴黎的米原器長度一樣。但是不像過去放在巴黎的米原器，如今米的定義永遠不可能改變。

同樣的事發(fā)生在普朗克常數(shù)上。像光速一樣，普朗克常數(shù)也是永遠不變的普遍真理。

通過給普朗克常數(shù)——其單位包括了千克，就像光速的單位包括了米一樣——設(shè)置最終值的話，千克的大小就永遠固定。你也能如這樣思考：千克已經(jīng)錨定于普朗克常數(shù)，將會永遠不變。

（假如你一直在仔細閱讀的話，你大概已經(jīng)注意到，這兒存在有點兒像“先有雞還是先有蛋”的問題。假如你對光速的測量也包含了單位“米”，那么你要如何試圖用光速來定義米？對于普朗克常數(shù)，情況是一樣的：其單位包含了千克。簡短的答案是：這就是為什么研究這些問題的人都擁有博士學(xué)位。）

基布爾秤使這一切成為可能

用普朗克常數(shù)來重新定義千克一直是巨大挑戰(zhàn)，需要用數(shù)十年時間來完成的挑戰(zhàn)。

首先，科學(xué)家必須能夠極其精確地測量普朗克常數(shù)。如果我們對光速的測量存在巨大的誤差邊際，那么它不會是衡量米的可靠支撐。普朗克常數(shù)的情況也是一樣。

幾十年來，NIST以及全球若干其他實驗室的科學(xué)家一直在使用名叫基布爾秤（有時被稱為瓦特秤）的儀器精確測量普朗克常數(shù)，測量達到足夠細致的程度，因此能用來重新定義千克。

像千克原器一樣，基布爾秤也深藏在NIST的地下。它建造在一層混凝土地板上，該層地板能漂浮在建筑物的地基上，這樣能更好隔離靈敏的儀器設(shè)備，免得它們受到設(shè)施其余部分的振動影響。進去之前，我必須戴上塑料發(fā)網(wǎng)蓋住頭發(fā)，用鞋套包住鞋子，因為任何一點兒塵屑都可能讓儀器的刻度失準。

假如維多利亞時代的人建造出時間機器，將它停泊在釀酒廠里，我會想象它會看起來像這個樣子。

基布爾秤的工作原理有點像簡單的天平秤。想象一下正義女神手里拿著的天平：天平有兩個托盤，在中點形成平衡。簡單的天平要比較兩個托盤上的物體重量，目標是要二者重量相等。

基布爾秤（以它的發(fā)明者英國物理學(xué)家布萊恩·基布爾（Bryan Kibble）的姓氏命名）完成類似天平的工作，不過是采用量子力學(xué)扭轉(zhuǎn)的方式，它讓物體質(zhì)量施加的機械能等于數(shù)值相當(dāng)?shù)碾姶拍堋?/p>

基布爾秤讓質(zhì)量與電磁能等同的公式是很復(fù)雜的，NIST的科學(xué)家領(lǐng)我到白板面前，向我解釋了一遍。

那條方程式（在所有相關(guān)變量中，包括質(zhì)量、速度、引力、磁性和電）的重要之處在于普朗克常數(shù)的出現(xiàn)?？茖W(xué)家使用這臺儀器就能解決普朗克常數(shù)的問題。數(shù)學(xué)在此發(fā)揮作用，是因為正如愛因斯坦用他的著名方程E=mc2教會我們的，質(zhì)量與能量本質(zhì)上是同一東西的不同表達。

此刻你也許在思考：既然已經(jīng)定義了普朗克常數(shù)，那么基布爾秤能做什么呢？

好吧，它取代了我們對存放于法國的國際千克原器的需要，因為它現(xiàn)在知道用普朗克常數(shù)來表示1千克的質(zhì)量，而且會是精確的測量，是確保1千克仍然是1千克的方法。它能用來稱重物體，根據(jù)新標準判定物體的質(zhì)量。

阿博特說：“現(xiàn)在，我們對大K穩(wěn)定性的品質(zhì)保證是基于協(xié)議，我們說它不會改變。我們對基布爾秤的品質(zhì)保證是：它是基于自然界的常數(shù)，而全世界已經(jīng)嚴格測量了該常數(shù)的數(shù)值，而且我們知道它不會改變?！?/p>

這就是基布爾秤的運行原理

斯特凡·施拉明格爾的普朗克常數(shù)文身后面跟著米制的創(chuàng)立格言“適用于所有時候和所有人”

度量衡的民主化正在進行中

你們還跟得上我的節(jié)奏嗎？

所有這些改變可以歸結(jié)為一句話：我們將不再需要某個政府或某個國際機構(gòu)告訴我們1千克是多少。它將成為宇宙中的基礎(chǔ)事實，任何有適當(dāng)儀器的人都可以實現(xiàn)。

理論上，人人都能建造出基布爾秤?！八麄兡茏鲞@個實驗，他們能測量他們想要測量的任何重物和任何材料，只要把東西放到秤上，你就會獲知物體的質(zhì)量，結(jié)果以普朗克常數(shù)來表示，絕對不變?！痹贜IST做基布爾秤實驗的達琳·埃爾·哈達德（Darine El Haddad）說道。她還表示，基布爾秤允許進行“絕對測量”。

未來，制造業(yè)不會需要將它們的砝碼和比例尺送到NIST測定刻度，它們可以在自己的工廠內(nèi)有一臺基布爾秤。那么看來，新的單位定義更加民主，它會被自由用于全球各地，而不是鎖在法國的柜子中。

然而，這次的改變也存在一些較大的缺陷。阿博特說：“人們甚至不理解米制系統(tǒng)，你如何解釋基布爾秤呢？”對于想要了解科學(xué)的人來說，定義的復(fù)雜性也許是迷惑。小學(xué)生能理解一塊金屬的重量等于1千克，但他能明白量子力學(xué)嗎？

施拉明格爾爭辯說，盡管新的定義在技術(shù)上更加復(fù)雜，但“從哲學(xué)角度來看，它更簡潔”。千克單位很快將通過宇宙的基礎(chǔ)物理來定義，而不是人類的某種密謀。

施拉明格爾將米制的創(chuàng)立詞“適用于所有時候和所有人”文在了他的手臂上，還一起文上了普朗克常數(shù)的數(shù)值。從中看出他對這個理想的信念是多么強烈。他將這份工作視為“結(jié)束從法國大革命開始的弧線”。它終于完整了：在周五的投票之后，如今的千克單位會永久不變，適用于所有時候和所有人。

資料來源 vox.com