美國史上，曾發生過一起航天災難。1999年美國向太空發射了一枚「火星氣候軌道器」，然而就在即將進入預定軌道時，這一耗資巨大的探測器卻突然失蹤了。
科學家苦苦查驗才發現，事故系導航人員誤將公制單位和英制單位數據混為一談，導致嚴重導航錯誤，2億美元打了水漂…….
這次災難無疑是統一單位制重要性的一則例證。而四年一度的國際計量大會（General Conference of Weights & Measures）, 負責的主要任務便是討論國際單位制（簡稱SI制）之改進及推展等事項，以及審查最新研發的量測標準。
11月13日，第26屆國際計量大會在法國巴黎拉開了序幕，此次會議將重新定義4項國際單位，其中最為引人注目的便是——千克。
法國時間今日（16日）下午，科學家們將投票決定是否採用物理上的普朗克常數來重新定義千克。對此，在國際計量局工作的清華大學科學家李世松博士告訴紅星新聞記者，「懸念不大」。
小到日常買菜，大到航空航天，千克都是常用的計量單位。那麼為何要重新定義？是否會對普通生活產生影響？以及會對科學界產生怎樣的影響？對於這些疑問，李世松博士進行了詳細解答。
129歲「高齡」的砝碼
承擔「衡量」全世界的重任
據悉，從1960年起，各國開始統一採用國際單位制（SI）作為世上最普遍的標準度量衡單位系統，其中7個基本單位分別是米（長度）、秒（時間）、開爾文（溫度）、安培（電流）、摩爾（物質的量）、坎德拉（發光強度）和千克（重量）。
李世松介紹，這7個單位中目前只有千克定義是基於實物的，即「國際千克原器的質量」。
↑國際千克原器。圖據法新社
「國際千克原器」又被稱為「一千克標準物」（簡稱IPK），是一個存放於巴黎、如今已129歲「高齡」的砝碼。1889年，經國際計量大會批准，將其作為千克單位標準物。該砝碼由具有較強抗氧化性的鉑銥合金製成。為避免腐蝕，砝碼被放置在三層玻璃罩的容器中，最外一層被抽成半真空。
為保證安全，保存千克原器的保險箱共有三把鎖。原則上，每年國際計量諮詢委員會的會議上都會將保險箱打開，以確認千克原器完好無損。
實物基準難「呵護」
量值中斷或跳變後果嚴重
李世松解釋說，實物基準的最主要問題是其量值可能會隨時間、保存環境等發生變化，也存在遭遇天災人禍而被損毀的風險，造成量值的中斷或跳變。據他聽聞，二戰期間，德軍佔領法國，為保證千克原器不被損毀，被秘密保存在法國一家銀行的保險箱中，直至戰爭結束才得以返回國際計量局。
↑國際計量局（BIPM）功率天平課題組，右二為李世松博士。圖據國際計量局
同時，SI基本單位的定義又並非完全獨立，安培和摩爾這兩個單位在定義中也涉及到基本單位千克。因此，千克量值的變化將影響整個SI單位體制的穩定性，其穩定性在SI體系中至關重要。
而在新定義下，這樣的情況再也不可能發生了。
新定義將採用普朗克常數的值定義。參與普朗克常數精確測量研究的李世松介紹，普朗克常數，是物理學中一個自然常數，而基本物理常數在自然界中具有極好的穩定性，可保證質量單位千克的長期穩定、不變。不同的國家也不必依賴於國際計量局的千克原器校準。
國際計量委員會(CIPM)的質量及相關量諮詢委員會(CCM)曾提出過十分嚴格的重新定義千克的條件，為了實現這些目標，世界主要計量院和計量科學家們進行了長達十多年的努力。2017年，所有測量目標全部達成，重新定義千克的時機成熟。
關於重新定義的決議，將採用會員國投票方式確定，具體投票是在法國當地時間11月16日下午進行。但李世松表示，懸念不大。
砝碼「瘦了」一粒沙的重量
促使科學家做決定
「其實，想重新定義千克的想法科學界已思考很久了。」李世松說。早在1889年定義千克之時，計量學家們就擔心實物基準量值會隨時間而變。
為檢查千克量值到底變化多少，當初製作國際千克原器時，科學家們還用相同材料製作了6個複製品，保存條件也完全一致。每隔幾十年，國際計量局就會比對這7個砝碼質量間的差值。
↑工作人員小心擦拭千克原器的6個複製品之一。圖據國際計量局
據李世松介紹，第三次比對發生在1989年，即千克定義被採用後的100年。結果卻發現，6個複製品的質量，比千克原器大了約50微克。假定這7個砝碼變化趨勢一致的話，那麼千克原器相對於1889年時是「變瘦」了。
千克原器會「變瘦」的原因有很多可能。李世松表示，首先，實際千克原器的保存並非絕對的真空；其次，千克原器和複製品比對的過程中，原器與空氣接觸也會發生緩慢的化學反應，同時也不免會發生物理的磨損、雜質吸附等。
50微克，相當於一粒沙，或者一枚指紋的重量，生活中微弱到可忽略不計，但在科學計算中這樣的差值卻有著舉足輕重的影響。
↑李世松博士和千克原器複製品之一的合影。受訪者供圖
李世松認為，正是這微小的的量值變化，讓計量學家感到尋找更穩定的千克定義的緊迫性。
重新定義不影響日常生產生活
對科學研究意義重大
對於重新定義千克，普通人最關心的話題便是，以後買菜或水果時，原來1公斤的東西是否會變少？是否會缺斤少兩？
對此，李世松解釋說，千克的重新定義不會影響生產生活。CCM規定的重新定義需滿足的條件之一，即重新定義後的量值發生跳變不會影響生產生活。
「千克重新定義，一個最基本的原則就是保證千克量值的連續性。不能因為新定義的引入，造成量值跳變，對生活生產造成不良影響。」李世松說。
↑科學家正在清洗國際千克原器其中的一個複製品。圖據國際計量局
但重新定義，對計量溯源體系及精密科學研究卻具有重要影響。
「如果將科學中的測量活動比作是一座高樓，而SI基本單位則是這座大樓的根基，」李世松向記者打比方稱，如果根基發生緩慢的變化，整個大樓都會不穩，長此以往，甚至會發生嚴重的危險。
基於基本物理常數的新定義，則從根源上消除SI基本單位在現行定義下量值可能變化的問題。
↑一位科學家正準備用功率天平進行測量。圖據國際計量局
李世松介紹稱，以往每個國家最高級別的標準砝碼，需要定期送到法國的國際計量局進行校準，以確保千克量值在世界範圍內的一致性。
然而新定義實施後，任何國家原則上都可以在本國建立起直接溯源到千克定義的復現裝置，而不必再定期去國際計量局送檢砝碼。「而且，如果我們國家建立了高準確性的質量復現裝置，還能為其他沒有建立相應基準的國家提供砝碼校準服務。」李世松說。
中國科學家參與相關領域
亦做出重要貢獻
在對普朗克常數的準確測量方面，中國計量科學研究院聯合國內部分高校發展了一種能量天平方案，與世界主流方案在測量方法上有較大區別。2017年最新發表的其測量結果的不確定度，離被此次國際上確定普朗克常數量值的準確性要求僅差一點。
但李世松預計，在未來的1-2年內，我國能量天平測量準確性預計能進入世界先進行列。另外，中國計量科學研究院與清華大學合作，還提出了一種測量原理上完全原創的普朗克常數精密測量方案，目前正在提升其測量準確性。
此次SI單位變革，還會採用玻爾茲曼常數來定義開爾文。在玻爾茲曼常數測量方面，中國計量科學研究院的兩個團隊於2017年取得了兩個玻爾茲曼常數測量結果，均已被國際科學數據委員會採用，這對此次國際單位制修訂中確定玻爾茲曼常數的值做出了重要貢獻。
紅星新聞記者丨王雅林