被重新定義的千克單位:這些統一的度量衡體系都是怎麼來的?

現實中可能沒多少人想看一塊鐵塊，但是這塊名為Le Grand K的鐵塊是一個多世紀以來質量測量的官方權威，更正式的名稱是「國際千克」(International Prototype kg，簡稱IPK)，保存於巴黎市中心西南約6英裡的塞夫勒郊區的國際度量局(International Bureau of Weights and Measures，簡稱BIPM)中，IPK是一個小型金屬圓柱體，被鎖在一個恆溫保險庫裡，要打開這個保險庫的話需要三條分別由三個不同官員持有的鑰匙。

康乃狄克州出生的物理學家理察·戴維斯(Richard Davis)在最近帶我參觀了國際度量局，但他對保險庫的實際位置閉口不言：「我不會說它在哪個房間，但我可以告訴你它就在這棟樓裡。」我們查看了國際度量局的許多其他國際千克的複製品，但IPK無疑不在此列。儘管如此，戴維斯還是很樂意向我描述它：它是由一種合金製成的，這種合金的鉑含量為十分之九，銥含量為十分之一;它有著圓柱形的外表，高度略低於4釐米(略高於1.5英寸)，直徑也差不多。

至於它的重量，當然是1千克了，它的重量的定義就是1千克，當我們說一包糖重1千克時，我們的意思是它的重量和這個巴黎圓柱體一樣。但是IPK的日子現在是屈指可數了。去年11月在凡爾賽舉行的第26屆重量與測量大會上，來自57個國家的科學家投票決定改變千克的定義。新的定義將基於一個被稱為普朗克常數的自然基本常數的值，而當它在5月份生效時，IPK將面臨像冥王星一樣的降級。

雖然重新定義不會對普通消費者產生明顯的影響，但它將會產生一系列連鎖反應，影響未來所有重量的確定，畢竟你當地的超市秤必須根據一組金屬砝碼來進行校準，而這一組金屬砝碼又是根據其他砝碼來進行校準的，而其他砝碼最終又會回到IPK。所有這些最終都會令人非常頭疼。更糟糕的是，隨著時間的推移，IPK可能會增加或減少少量重量——這反過來又會使人們對所有其他重量測量方法產生懷疑。

而在新系統的情況下，只要使用合適的設備，重量校準在各地就能獨自完成，免去了我們到巴黎的長途跋涉。與IPK不同，基於普朗克常數的千克永遠不會發生變化，雖然國際千克的微小變化對超市裡香蕉的重量不會有太大影響，但在某些領域，比如藥品生產或監測工業汙染物，精確度是至關重要的(毫克甚至微克都很重要)。

國際公制最初是在法國大革命之後發展起來的，其目的是使度量衡制儘可能不受任意定義的影響;理想情況下，這套國際單位應該來自我們居住的星球。

因此，「米」被宣布是赤道沿著子午線穿過巴黎到達北極的距離的千萬分之一。然而這還不夠，我們仍然需要一個物理原型：一個長度與此相當的鉑銥棒被切割了出來，成為了官方的」米」，這個米的副本被分發到世界各地。與此同時，「秒」則被定義為平太陽日(地球相對於太陽完成一次自轉的平均時間)的86400分之一。

但是1千克又應該有多重呢?顯而易見的解決辦法是把它和米連接起來：千克最初的定義是在4攝氏度的溫度下，一立方分米的水的重量。「4攝氏度」這個要求是必要的，因為隨著溫度的變化，水會膨脹和收縮，但很不幸這個條件使得這個定義有點笨拙。因此，在1779年，法國政府將千克定義為一個鉑圓柱體的質量，這個鉑圓柱體的質量儘可能地等於此前千克基於水的理想定義。

1889年，在巴黎舉行的度量衡大會的代表決定使用另一個物理原型：這個物理原型的質量將會被定義為是1千克，在製造的時候這個物理原型被精心製造成1799年的千克重量。一克，自然就是這個重量的千分之一了，一毫克則是一克的千分之一，或者一千克的百萬分之一，所有重量無論大小，都來自這個1千克原型。

一直到今天，IPK都被放在巴黎附近的保險庫裡。為了安全起見，當時製作IPK的時候人們還製作了兩個相同的圓柱體，被稱為temoins，或備份(後來備份增加到六個，另外還製作了幾十個相同的圓柱體分發到各個國家)。這時一些問題開始出現了：隨著時間推移，這些千克備份的管理員注意到這些備份的重量變得略高於IPK，而且沒有人知道究竟的IPK輕了(物理退化或損傷的結果)還是備份變得越來越重(通過汙染物的累積)，或這兩個可能都同時發生。戴維斯談到IPK時說：「這是人工製品，我們不能保證它會保持穩定。」

物理原型的問題在於如果它「感冒」了，它所產生的一切都會跟著「打噴嚏」。「你在上面留個拇指印也沒關係;它仍然是1千克，而世界其他地方的標準都會跟隨它變得更輕或更重，」巴裡·伍德說，巴裡是渥太華國家研究委員會的物理學家，加拿大的官方千克就處於渥太華。(渥太華標準千克的材料與IPK相同，並且每隔幾年就會被運往BIPM重新校準。)

隨著科學家們逐漸認識到物理原型的缺點、以及開發出更精確的測量方法，秒和米的定義都發生了變化。1960年，米被重新定義為氪某一同位素髮射的輻射波長的長度。後來，物理學家們又意識到原子的振動相比於地球的自轉來說更好借鑑，於是在1967年物理學家們將秒重新定義為銫的某一特定同位素振動9192631770次所需的時間長度。當秒被確定下來之後，重新定義米又變得有意義了，1983年，米被設定為光在299792458之一秒的內傳播的距離。(重新定義米之後，光速被固定為每秒299，792，458米。)

那質量的等效技巧是什麼?在這裡，物理學家轉向另一個自然常數，普朗克常數。講到普朗克常數，似乎沒有人比喬恩·普拉特更有資格來解釋它了，他的前臂上紋著普朗克常數的精確值。(從他酷似大衛·伯恩的外表，我猜測他是兼職音樂家，事實證明我也猜對了)。

直到去年年底，普拉特還是馬裡蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究院(NIST)量子測量部門的負責人。他解釋說，普朗克常數出現在量子力學的公式中，並且用符號h表示。根據2017年NIST科學家們的測量顯示，它等於(這時候我向普拉特的胳膊靠近仔細看了看) 6.626069934(89)x 10-34 J s。括號的最後兩位數字表明，物理學家對它們不太確定(不過，九位小數已經算是不錯了)，「J s」是指焦耳-秒(joule-seconds，1焦耳-秒等於1焦耳乘以1秒，焦耳是一個能量單位)。

幸運的是，1焦耳也等於1千克乘以米的平方再除以秒的平方，這意味著我們可以說普朗克常數中本來就含有千克。因此，人們一直希望，如果物理學家能夠以足夠的精度確定普朗克常數的話，他們就可以把它定義為一個固定的量(就像他們對光速所做的那樣)，從而為重新定義千克做好準備。

「實際上這是很複雜，但從概念上說這很簡單。」普拉特引用了兩個等式——一個是我們熟悉的E=mc2，另一個是我們比較少知道的E=hv。第一個方程通過光速把能量和質量聯繫起來;第二個通過普朗克常數(h)將光子(光的粒子)的能量和頻率(v)聯繫起來。普拉特說，有了這兩個方程，「我得到了可以從中導出質量的一個關係。」

之後就是一種被稱為「基布爾秤」的神奇裝置粉墨登場的時候了。在基布爾秤中，一個物體的重量是由一個電磁力來平衡的，這個電磁力可以通過調節流經導線的電流來實行精確控制。一旦力達到平衡，再做一些額外的測量，你就可以用物體的質量來計算普朗克常數的值。一旦你確信你已經儘可能精確地測量到了普朗克常數，你就可以「固定」它的值，並利用基布爾秤來給出一個物體的質量。

這就是我們現在所處的位置：從這個春天開始，普朗克常數將被固定為一個固定值，就像1983年光速被固定成一個固定值一樣。官方的數值將是6.62607015 x 10-34 J s，這個數值是普拉特手臂紋身數值的改進版本，使得NIST的結果與一項使用完全不同方法的國際合作的結果相一致。

但這個數字並不是普拉特的紋身中最有趣的部分，數值紋身上面那個自由女神那樣的女士也不是(紋身中的女人一隻手拿著一根米尺，另一隻手拿著1千克)，紋身的關鍵信息是這個女人上方的一個句子：「A tous les temps, a tous les peuples」(「為所有時代，為所有人」)——這是馬奎斯·孔多塞的一句座右銘，他是法國的一個哲學家和數學家，主張我們現在所稱的公制(以及種族和性別平等)。

普拉特說，隨著我們朝著完全基於自然界普遍屬性的度量衡體系邁進，我們正在使得稱重和計量更加民主，而開發一個我們都一致同意的系統把人們團結在了一起，這是一種團結的力量。

普拉特說：「我們希望分享我們的經驗，而我們分享經驗的方式就是就我們對世界的觀察達成一致。」只要不同的民族和國家使用不同的衡量體系，爭吵就會變得不可避免。他說：「如果我們能夠在測量的共同基礎上達成一致的話，那人類將會走的更遠。」

事實上，僅僅著手建立這些共同的措施就已經產生了團結的效果。普拉特以皮埃爾·梅尚(Pierre Mechain)為例，這位法國科學家在18世紀90年代負責測量從敦刻爾克到巴塞隆納的巴黎子午線，以確定經線的長度。這項任務要求他在西班牙的領土上進行測量，但考慮到法國和西班牙當時正處於戰爭狀態，這就變得很尷尬了。但西班牙當局認為梅尚的工作是為了全體人類的利益，所以允許他在巴塞隆納做必要的三角測量工作，甚至在兩軍相互廝殺的時候給他提供補給。「我認為對人類的能力而言這是一個非常積極和有力的例子，」普拉特說。

人們經常錯誤地說美國與賴比瑞亞和緬甸一樣，是少數幾個尚未正式採用公制的國家之一。然而，美國科學家和研究人員長期以來都在他們的工作中使用公制單位——公制只是還沒有滲透到日常使用中，正如普拉特指出，「我們已經習慣了伴隨我們成長的計量單位。」

雖然修正後的千克數可能對人類有好處，但對Le Grand K來說卻不是什麼好兆頭，正如冥王星現在變成了矮行星一員一樣，IPK很快就會變成另一個平平無奇的一千克重圓柱體——就像作者西蒙·溫徹斯特(Simon Winchester)最近說的那樣，這是一種「恥辱的降級」。然而，與我交談過的物理學家中，似乎很少有人懷念它的逝去，只有普拉特在NIST的同事、物理學家派屈克·阿博特(Patrick Abbott)似乎對這件事有點傷感。

他說：「儘管它有很多缺點，也很少為人所用，但在130多年來，它仍然做得非常非常出色，如果就這樣讓這段歷史結束的話那將會是一種悲哀，但是時候了，長江後浪推前浪，是時候了。」

本文來源前瞻網，轉載請註明來源。本文內容僅代表作者個人觀點，本站只提供參考並不構成任何投資及應用建議。（若存在內容、版權或其它問題，請聯繫：[e-mail]）　品牌合作與廣告投放請聯繫：0755-33015062 或 [e-mail]