11月16日，在新一屆國際計量大會上，科學家們通過投票，
正式讓國際千克原器退役，
改以普朗克常數（符號是h）作為新標準來重新定義“千克”。
這是一個對重量“斤斤計較”的時代。我們可能站在體重秤上抱怨減肥失敗，或者怒斥小販賣菜時偷斤少兩。然而，我們大部分人都不知道的是，重量本身就存在一個問題——
它的單位“千克”可能不那么可靠了。為什么這么說呢？這得先從一件擁有129年歷史的“神器”談起。我們現(xiàn)在用來表示重量的基本單位kg（千克），就是由它來定義的。這件神器自誕生起一直存放于國際計量局，被稱為
國際千克原器（IPK）或者“大K”。大K是一塊由鉑銥合金制作的、高度和直徑均為39.17毫米的直立圓柱體。它被安放在法國巴黎郊區(qū)的一個保險箱里，
與世隔絕而且一直受到嚴密的監(jiān)控。同時，大K在各國還有很多復制品，每隔40年，人們都會將大K和復制品進行比對，以確定全世界的重量處于同一個系統(tǒng)。
國際千克原器 | BIPM
再精密的人工制品，都無法真正做到“重量恒久遠，一顆永流傳”。事實上，盡管鉑銥合金是已知最穩(wěn)定的合金之一，甚至大K幾乎一直“蹲在監(jiān)牢”中，但人們發(fā)現(xiàn)，它很可能已經損失了大約50微克的重量。
牽一發(fā)動全身
當然，由于大K正是千克這一單位的定義，所以技術上來說，我們并不能說它損失了重量。我們只能說，整個世界變重了一點。（我似乎又可以心安理得地吃下一塊榴蓮酥了。）盡管50微克大概只相當于一根眼睫毛的重量，但如果用來計量的量度本身發(fā)生了變化，那么它將會給建立在它之上的整個系統(tǒng)帶來巨大的影響。千克屬于7個基本物理單位，而其他物理單位都可以從基本單位導出。例如力的單位牛頓，就是定義為使1kg的物體有1m/s²的加速度。然而，千克這一單位的變動不僅會影響導出單位，更嚴重的是，它還會影響到其它標準單位。如果大K的質量發(fā)生變動，前文所述的力的單位牛頓也會發(fā)生變動，隨即影響到另一基本單位“安培”，安培的變動又會改變一系列電磁學單位，例如庫侖（電荷）、伏特（電壓）、特斯拉（磁場）、韋伯（磁通）等等。這些單位的變動將動搖整個人類社會的基礎，各行各業(yè)都將不得不重新檢視已有的標準。特別是那些對質量變化極其敏感的行業(yè)。比如制藥業(yè)，50微克可以說是一個很大的數字了。因此，在基本單位這件事上面，牽一發(fā)而動全身不是虛言。
于是，在秦始皇統(tǒng)一度量衡幾千年后，用來統(tǒng)一度量衡本身的量度，是時候更嚴謹的定義一下了。
重新定義新千克
事實上，在7個基本單位中，千克是最后一個通過人工制品定義的單位了。其他單位都已經改由某些自然常數來定義。比如長度單位米，其定義為光在真空中于1⁄299792458秒內行進的距離。時間單位秒的定義稍微復雜一些，它表示銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。
七個基本單位及新定義 | 國際計量局
因為基本單位最重要的一個原則是：
For all people, for all time——
不因使用者也不因使用時間的改變而改變。目前的大K根本無法滿足這兩條要求。因此，人們一直在思考如何對其進行新的定義。
11月16日，在新一屆國際計量大會上，科學家們通過投票，
正式讓國際千克原器退役，
改以普朗克常數（符號是h）作為新標準來重新定義“千克”。普朗克常數（記為h）是量子力學中用來計算光子能量的一個常數，它由著名科學家馬克斯·普朗克提出。普朗克在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和實驗結果相符。這樣的一份能量叫做能量子，每1份能量子等于普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率，即E = hv。
普朗克常數的數值是6.62607015 x 10^-34，單位是J.s （焦耳*秒）。
這里就要從它的單位入手。可以看到，普朗克常數的單位是焦耳每秒。而焦耳本身則是一個導出單位，它的定義是1牛頓的力使物體在力作用的方向上移動1米時所做的功，我們已經知道，牛頓的定義是使1kg的物體有1m/s²的加速度。因此，1焦耳也可以寫成kg⋅m^2⋅s^−2，于是
普朗克常數的單位也就可以寫成kg⋅m^2⋅s^−1。至此，普朗克常數便同kg這一基本單位發(fā)生了關聯(lián)，我們也就可以根據它來精確定義千克。
NIST科學家Stephan Schlamminger的普朗克常數紋身 | Vox
4把稱和一個球
然而，難的不是定義，難的是測量。人們固然更喜歡用普朗克常數來定義新的千克，可我們該造一臺什么樣的儀器，來對這個新的千克進行標準測量呢？為此，人們造了5件新的“神器”——4把秤和1個球。秤是雕花金絲楠木……啊不，劃掉，秤是基布爾秤（Kibble balance），又叫瓦特秤（Watt Balance）。它是一種通過電流和電壓的強度精確測量測試對象重量的儀器。由于測量的質量與電流和電壓的乘積（即功率，單位為瓦特）成正比，所以該儀器又被稱為瓦特秤。
基布爾秤 | J. L. Lee / NIST
基布爾秤可以將對質量的測量等效為對電磁力的測量。而這個電磁力又可以同普朗克常數關聯(lián)起來。這背后的原理是兩項諾獎級的研究。1962年，英國物理學家布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）提出了約瑟夫森效應；1980年，德國物理學家克勞斯·馮·克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應；前者是一種與電壓有關的量子效應，后者則表明電阻也是量子性的。而我們知道，普朗克常數是量子力學的基本常數。因此，通過電磁力來平衡質量，再通過含有普朗克常數的公式來計算產生這一電磁力的電壓和電流，從而實現(xiàn)對千克的新定義。
圖 | Vox
然而，光有秤還不保險，科學家們又造了一個球，來確保萬無一失。這個球是人類有史以來制造的純度最高、形狀最圓的硅球，由硅-28制成。科學家們對這個球進行了極其精密的檢測，其中含量最大的雜質是銅，但其含量僅為每克樣品中含有7納克，大概相當于每30億個硅原子中才有1個銅原子。這個球純度如此之高，可以用來更精確地測量阿伏伽德羅常數，而根據某些已知的方程，我們可以根據阿伏伽德羅常數來計算出普朗克常數。阿伏伽德羅常數定義是1摩爾（mol）的原子有多少個？在教科書上，答案通常是6.02x10^23。但這個精度遠遠不夠，2017年12月的一篇文獻表明，人們借助這個硅球，已經將這一常數測到了6.022140588 (65) x 10^23，括號中的數字表示最后一位的不確定度，而相對不確定度則不超過1.73 x 10^-8。有了這4把秤和1個球，千克的新定義將達到一個史無前例的精確度。國際計量大會曾經表示，要至少通過3個實驗把普朗克常數的不確定度降低到5 x 10^-8以下，其中一個還必須達到2 x 10^-8以下，方能滿足對千克的新定義的要求。而目前，人類所制造的這4把基布爾秤和1個硅球，都已滿足要求。
家里有礦的同學還可以試試用樂高搭個基布爾秤 | NIST
宇宙的像素更高了
其實，在本次國際計量大會上，開爾文（溫度）、安培（電流）、摩爾（物質的量）的定義都發(fā)生了改變，它們將分別由玻爾茲曼常數（k）、基本電荷（e）和阿伏伽德羅常數（NA）定義。新標準將于2019年5月20日實施。單純從數字上來說，這種變動幅度可能不大。但是，其背后反映的卻是，人類已經有能力去進行更精確的測量，才能夠實現(xiàn)更精確的定義。而每一次更精確的測量，則意味著人類眼中，宇宙的像素又變高了。
我們用來丈量這個世界的尺子，決定了我們能夠去到的地方。We are what we measure.
參考文獻：
[1].https://www.smithsonianmag.com/science-nature/redefine-kilogram-180970798/
[2].https://www.theverge.com/2018/11/13/18087002/kilogram-new-definition-kg-metric-unit-ipk-measurement
[3].https://www.chemistryworld.com/news/purest-silicon-sphere-ever-created-will-redefine-the-kilogram/3007588.article
[4].http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/aa9abd/meta
[5].https://www.vox.com/science-and-health/2018/11/14/18072368/kilogram-kibble-redefine-weight-science
[6].http://www.npl.co.uk/news/international-system-of-units-overhauled-in-historic-vote
作者: Bearkiii
編輯：EON、En
注明：轉載于果殼網（https://www.guokr.com/）
