iWeekly
当地时间12日至16日，国际度量衡大会（General Conference on Weights and Measures）在法国凡尔赛举行，来自57个国家的代表将投票决定对千克计量的改革——这是一百多年来首次更改千克计量。目前千克是唯一一个仍然用实物衡量的公制单位，科学家们准备用一个常数代替原来的实物标准，这对于计量领域意义十分重大。至此，计量单位家族全员走入全新的时代。
“千克”本体原来是一坨金属
现代计量的基础可以回溯到18世纪中期，随着国际贸易逐渐发展起来，没有衡量布匹长度的统一单位成为了一个困扰，比如有的地方就把当地伯爵的鞋码当作长度的单位。于是，人们开始意识到国家应该提供统一的度量衡单位。18世纪晚期，经过法国国王路易十六批准，法国科学院开始寻找一种更合理的计量方法，这一活动在法国大革命开始后也得到了当时国民公会的支持。
那时，科学家们就提出了一个参照大自然的计量系统，一套为了“所有时间，所有人”的计量标准。其中，“千克”被定义为1立方分米的纯水在4℃时的质量。为了使计量单位更加实用，千克被升级成为了实物，它就是国际千克原器（IPK）。
▲最后，该计划完成了一套国际计量系统（SI），包含七个基本计量单位：长度单位米（m）、时间单位秒（s）、质量单位千克（kg）、物质的量的单位摩尔（mol）、电流单位安培（A）、热力学温度单位开尔文（K）、发光强度单位坎德拉（cd）。
在过去的129年里，世界官方的质量单位一直是国际千克原器（IPK），它被亲切地称为“大K”（ Le Grand K）。它是一个闪亮的铂铱合金圆柱体，密封于三层钟形罩之中，储存在位于巴黎的国际计量局（BIPM）。另外，国际千克原器有很多官方复制品，被用来送往世界各国校准测量标准。每隔40年，这些复制品将被送回巴黎，检查原器的损耗情况。
大K定义了千克，因此千克的质量得到了固定，但是大K本身的质量会有微小的偏差。在储存过程中，铂金从空气中吸收污染物，大K就会变得越来越重。而它被清理时，又会因为微量的合金被清除而减轻重量。这样的不确定性使得科学家们十分苦恼。
任职于美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家史兰明格（Stephan Schlamminger）就表示：“如果外星人来到地球，除了物理学我们还能讨论什么？如果我们想讨论物理学，我们就必须统一单位。但是如果我们说我们的质量单位是放在巴黎的一块金属决定的，那么我们就成了宇宙级笑话。”
如今代替大K的普朗克常数是什么？
对于重新定义千克的投票其实已经是喜大普奔的定局，对于该议题的讨论已经完成，方案获得一致同意。本周的大部分会议将专门讨论预算等事务，最后在16日举行投票。如果投票按预期顺利通过，地球将免于“宇宙级耻辱”。千克计量将从实体转为普朗克常数，这个数字深深植根于量子世界，它形容了能量束即量子的大小。（普朗克常数与电磁波频率相乘等于量子大小。）
▲用于衡量普朗克常数的Kibble balance。
重新定义说起来简单但是做起来难，科学家们首先要使用Kibble balance来计算普朗克常数。Kibble balance是一种极其敏感的仪器，该仪器类似于一个天平，但不是用一个重量抵消另一个重量从而形成平衡。该“天平”的一端是已知重量的被测物体，另一端绑有电线，电线在磁场中运动形成向上的电磁力，在电磁力的作用下天平两端平衡，通过等式可将普朗克常数与达到平衡所需的电磁力联系起来，也就是说能用普朗克常数来表示举起该重量的能量。然后凭借得出的普朗克常数的精确值，研究人员可以反过来，利用平衡来衡量未知的重量。
史兰明格说：“对我来说最大的满足就是我们将完成自法国大革命以来的一个大转折。我们的想法是为了创造一个任何时间、任何人都可以使用的计量系统。原来的国际千克原器存在稳定性的问题，也并非永远存在，而且它被锁在一个安全的环境中，并不属于所有人。普朗克常数则永远不会改变，而且它属于宇宙之中，属于每一个人。”
除了千克以外，还有其他计量单位比如摩尔、开尔文和安培也将进行更新。这些更新都将于2019年5月20日生效。但对于普通人来说，几乎不会感觉到这些变革，超市不会有人用这种方式来称萝卜，所以，我们的日常生活并不会因为千克计量的改变而改变。但是在普通人的世界背后，这套系统将默默运转，也许在未来的某一天会成为人类递出的宇宙名片。
“米”已经经历了华丽变身
在千克之前，“米”已经经历过从实物衡量到非实物衡量的华丽转身。历史上第一次提出的米的衡量制度是和“千克”一起出现的。当时，法国科学院对于米的设定是“地球子午线的四千万分之一” 。但是由于地球表面并不是完美的球形，所以后来人们发现第一次测量出来的米是错误的，少了五分之一毫米。
▲铂铱合金米原器。
1799年，法国科学家制作出了第一个米原器，这是一根铂制的长杆，目前在法国档案馆保管。之后的1889年，新一代的米原器变身成为和大K一样的铂铱合金，因此也遇到了外界因素影响造成的误差问题。
19世纪开始，米的衡量就与光结下不解之缘。19世纪末，科学家在实验中找到了自然镉（Cd）的红色谱线，1927年开始，米的衡量开始用镉红线的波长来表示，这是人们第一次找到可用来定义米的非实物标准。1960年，第十一届国际计量大会（CGPM）决定用氪（86Kr）橙线替换镉红线。
20世纪60年代以后，人们又找到了一种更为优越的光源，那就是激光。用激光代替氪谱线，可以使长度测量得更为准确。1983年米被重新定义：光在真空中行进1/299 792 458秒的距离”为一标准米。
閱讀更多 iWeekly 的文章
