原創：Bearkiii果殼今天
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」可能不那麼可靠了。
為什麼這麼說呢？這得先從一件擁有129年歷史的「神器」談起。我們現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於國際計量局，被稱為國際千克原器（IPK）或者「大K」。大K是一塊由鉑銥合金製作的、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的一個保險箱裡，與世隔絕而且一直受到嚴密的監控。同時，大K在各國還有很多複製品，每隔40年，人們都會將大K和複製品進行比對，以確定全世界的重量處於同一個系統。
國際千克原器 | BIPM
然而，再精密的人工製品，都無法真正做到「重量恆久遠，一顆永流傳」。事實上，儘管鉑銥合金是已知最穩定的合金之一，甚至大K幾乎一直「蹲在監牢」中，但人們發現，它很可能已經損失了大約50微克的重量。
牽一髮動全身
當然，由於大K正是千克這一單位的定義，所以技術上來說，我們並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槤酥了。）
儘管50微克大概只相當於一根眼睫毛的重量，但如果用來計量的量度本身發生了變化，那麼它將會給建立在它之上的整個系統帶來巨大的影響。千克屬於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/s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的質量發生變動，前文所述的力的單位牛頓也會發生變動，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。比如製藥業，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，牽一髮而動全身不是虛言。
於是，在秦始皇統一度量衡幾千年後，用來統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，千克是最後一個通過人工製品定義的單位了。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於1299792458秒內行進的距離。時間單位秒的定義稍微複雜一些，它表示銫-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間。
七個基本單位及新定義 | 國際計量局
為什麼要根據某些常數來定義基本單位呢？
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律時發現，只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的，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份能量子等於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^-1（焦耳每秒）。
那麼，怎麼根據普朗克常數來定義千克呢？
這裡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/s的加速度。因此，1焦耳也可以寫成kgm^2s^2，於是普朗克常數的單位也就可以寫成kgm^2s^3。至此，普朗克常數便同kg這一基本單位發生了關聯，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把秤和1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，可我們該造一臺什麼樣的儀器，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。由於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起來。這背後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）發現了量子霍爾效應；前者是一種與電壓有關的量子效應，後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製造的純度最高、形狀最圓的矽球，由矽-28製成。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，大概相當於每30億個矽原子中才有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，人們藉助這個矽球，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後一位的不確定度，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，人類所製造的這4把基布爾秤和1個矽球，都已滿足要求。
家裡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。新標準將於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，其背後反映的卻是，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。