過去一百多年裡,地球人對「千克」(kilogram)的定義都基於存放在法國巴黎的一個小型金屬圓柱體——即神聖不可侵犯的「國際千克原器」。自1889年在巴黎召開的第一屆國際計量大會(CGPM)以來,這個暱稱「大K」(Le Grand K)的圓柱體就是質量單位「千克」的基準。
儘管人們小心翼翼地保護著「國際千克原器」,像俄羅斯套娃一樣把它鎖起來,但它的重量還是發生了輕微變化:也許是因為空氣分子作祟,又或者是因為技術人員在排除空氣分子影響時用力過頭。總之一句話,它已經不適合再作為「千克」的標準。本周五,四年一度的國際計量大會的表決後,「國際千克原器」將慘遭拋棄,更加穩定的物理學常數會取而代之。
參加表決的物理學家施拉姆明格(Stephan Schlamminger)對《衛報》表示:「如果外星人到訪地球,我們除了物理也沒什麼好談的吧?但如果要談論物理學,我們必須就一組單位達成一致。假如我們介紹說質量單位是基於巴黎的一坨金屬,那我們會成為全宇宙的笑柄。」
回溯歷史,這「一坨金屬」也曾是最先進的標準。200多年前,伴隨著國際貿易的發展,各國亟需一套公用的計量單位系統,以國王鞋碼為準的單位制度已經不夠用了。到了18世紀後期,法國國王路易十六委託科學家們確定更精確的計量系統。
隨後,「1米」被定義為從北極到赤道距離的千萬分之一,而「1千克」是1升液體水的質量。1799年,當拿破崙拿到法國學者測定的標準「1米」時,他宣稱:
徵服終將成為過眼雲煙,但這項成就會永垂不朽。
但新的問題又出現了:在真空中測量液體重量也並非易事。為了使這些單位更加實用,他們都被實物所指代:某一根金屬棒的長度為標準的1米,一個金屬體的重量代表1千克。該方案最終在1875年發展為國際單位制(SI),由七個基本單位組成:
米代表距離、秒代表時間、千克代表質量、摩爾代表物質的量、安培代表電流、開爾文代表溫度、坎德拉代表發光強度。
每隔40年,象徵著「1千克」的鉑銥合金圓柱體便會被用來和其他分散在各國的副本校準。但隨著它的重量出現變化——損失了大概一根睫毛的重量,再用這個金屬體校準便不合時宜。
美國國家物理實驗室聲明解釋說:「在測量一袋糖時,這(重量變化)是可以接受的。但對於更複雜的科學來說,比如在測量藥物劑量時,這就不可接受了。」
本周五的表決預計將獲得通過,「千克」的新定義將基於普朗克常數。使用物理常數來關聯定義千克,將確保它的可靠性,並使得質量測量在未來變得更加精確。
值得注意的是,人類也經常對其他單位的表述進行調整。1983年,「米」的最新定義變成:「光在真空中1/299792458秒的時間間隔內所經路程的長度」。本屆國際計量大會後,安培、摩爾,以及開爾文會與千克一起得到新定義。獲得批准後,新定義將在明年5月20日的世界計量日生效。
國際計量局(BIPM)主任馬丁·米爾頓(Martin Milton)在接受美聯社採訪時指出,千克是最後一個基於物理人工製品的基本單位。「所有其他的東西都已得到回收、替換或改進。而上一次的改進還要追溯到1875年設定的最初理念。這算是對當年所做的一切的致敬:它維持了這麼長時間……這是一個值得慶祝的時刻。」
國際計量局的職責從支持藥物和食品純度的化學工作,再到協調世界時間,不一而足。米爾頓表示,在全球化社會裡,工業需求總是在變化,科學家總是在擴大人類知識的範圍,計量學永遠不會過時,也不能停滯不前。