2018 年的国际计量大会为什么要修改 摩尔、千克、安培、开尔文等国际单位制的单位？ 第1页

       保存在国际计量局总部保险柜中的国际千克原器一直以来都是千克单位的标准砝码，不过它前几天(2018.11.16)刚退休：物理学家将重新定义“千克”！     

谜语时间！什么东西既不能按克取又不能整个拿走，否则就乱套了？答案是“大K”！

大K是“国际千克原器”的昵称，这个直径与高度均为39毫米的铂铱合金圆柱体自1889年起就是千克单位的绝对参照，也正是它令所有计重秤得以统一。

大K被收纳在三层玻璃罩内，藏于国际计量局的一个特制保险柜里，而国际计量局的办公地，法国塞夫尔镇的布勒特伊宫（Pavillon de Breteuil）可不是什么人都能进的地方。总而言之，它珍贵得很。

大K变轻了？

每隔大约40年，大K会获得一次出笼的机会，目的是与它其中几个复制品一较轻重：这6个官方复制品平时和大K锁在一起，只有此时会拿出来用以确保大K仍然是原来的大K。目前的问题是，大K已经比这6个复制品轻了50微克，而在1889年时，它们的质量是完全一致的。

为什么会这样？

很难说，或许是几个复制品增重了；或许是大K消瘦了；又或许是大家都增重了，只是大K增加的重量较其他少一些。无论如何，问题的严峻之处在于，1千克不再是1千克了。同时由于大K的重量就代表了1千克的官方重量，我们似乎需要重新定义一个更轻的1千克才能走出当前困局。

然而这简直是痴人说梦！你能想象吗？大家都一窝蜂地去买“新千克标准”的体重秤以确认自己的体重发生了什么变化；更别说再过一个世纪，很可能还得推倒重来！

不仅如此，千克标准也决定着“牛顿”的定义。作为衡量力大小的单位，牛顿的定义会随着千克定义的改变而发生变化，而牛顿又影响着作为能量单位的焦耳……所以一个新的千克标准问世将引致一系列基本单位遭到颠覆，这简直是个灾难！

最后，不论是天体物理学还是量子物理学，物理测量一向严密和挑剔，若应用的单位在精确性上与事实有偏差，其后果真是叫人无法想象！正因如此，今年11月13日至16日，精通计量学的物理学家齐聚法国凡尔赛见证一大历史时刻：大K的退役！事实上，千克是仅剩的一个由实物定义的单位。

救场常数

而这个时代的帷幕已然落下，此后，千克将由量子物理学中的普朗克常数来定义。不要小看这个普朗克常数，在某种层面上，它可是很有“分量”的。普朗克常数在物理学上记做h，约等于6.626×10-34焦耳·秒——数值虽小，却是撑起整个量子物理学的支柱，所以再多支撑一个小小的千克新标准自然不在话下……

实不相瞒，这个普朗克常数涉及的量子物理学知识远不是靠一两句话就能厘清的,不过我们还是试着来解释一下：在这个无限小的微观世界里，所有粒子——质子、电子，乃至于原子——都得通过“能量包”（即能量子，也就是能量的量子）来交换能量。

仅仅传递半份或是三分之二份能量都是不可能的，只能整包交换。而包的基础价值又与普朗克常数h息息相关。说白了能量子的角色就好比货币交易中的欧元或者美元，是能量交换的基本单位。试着设想下这样的对话会更容易理解：“早上好啊，电子先生！请问需要多少能量？”“给我5h能量就好！”

最后，尤其要记住，h与大K不同，是一个恒定的常数，因而不会发生变化。仅需确保测出的h值足够精确，且经过几种不同的测量方法验证，以尽量减小可能的实验误差。虽说这是件一劳永逸的事，但是每种测量方法的结果都要保证小数点后至少8位数字都相同，这可不是开玩笑的。

革命两部曲

正在酝酿之中的这场革命分两个阶段。第一阶段，我们将最后再使用一次大K，用以推导出大K和h之间的数值关系。换句话说，以现有的千克单位去衡量h，从而建立一个类似于“大K的值是h的XXX倍”的换算公式，不过实际情况当然要比这个复杂得多。第二阶段，终结大K，只有这个恒定不变且经过精确测量的常数h可以通过公式来定义真正的千克。

那么现实中我们该如何实现这第一阶段呢？基于大K来衡量普朗克常数的方法主要有两种：基布尔秤和完美硅球。基布尔秤有些类似传统的托盘天平。我们在使用传统天平时，会把需要称重的物体放置在其中一侧托盘上，这个托盘随即就会因重力作用而下降；然后我们在另一侧托盘上逐渐增加一些小砝码直至两侧托盘回到同一高度。

这一平衡意味着两侧受到的重力是相同的，换言之两侧托盘摆放的东西拥有相同的质量。所以我们仅需把小砝码的质量相加就可以知道待测物体的质量。基布尔秤的原理与传统天平相差无几，只是用于平衡待测物体质量的不再是小砝码的自重，而是电磁力，后者可以通过两三个公式与h联系起来。

因此，通过在天平的一端放上大K，另一端通过电磁力来平衡大K的重量，我们就可以从某种层面上“称”出普朗克常数的分量。

用晶体球定义

另一种方式就更让人意想不到了，要做的仅仅是统计原子数量。研究人员制作了一个质量刚刚好1千克的硅球。在这枚硅球内部，原子都规整地排列着形成了一个晶体结构，就好比整齐摆放在货架上的瓶装饮料一般。研究人员知道单个硅原子的体积，且可以通过进一步测算得知整个硅球的精确体积。

实际上，这个硅球是基于一个近乎完美的球状模型打造的，这个球状模型表面上任意一点到球心的距离都几乎相同，误差极小。小到什么程度呢？如果将这个半径47毫米的球放大到与地球一般大小（半径6371千米），其表面最低的山谷和最高的山峰之间的高程差不会超过5米！

掌握了整个硅球和单个硅原子的体积，剩下的无非是将二者相除，即可得到硅球中包含的原子个数。再往后就是个寻宝游戏了，我们需要在不同的公式之间细细寻觅，找到那条将原子数目和普朗克常数联系起来的“丝绸之路”。

整个2017年，国际计量局收集了不同实验室测量出的h精确值，而它的官方数值将在今年11月的凡尔赛会议上得到确定：此后，千克将成为普朗克常数的一个衍生单位。接下来，物理学家也同样会对安培、开尔文和摩尔等单位进行重新定义，基于同样的目的：令它们的值不会随着时间而发生改变。

这些单位的新定义将在2019年5月20日，即来年的世界计量日正式生效。至于大K，它将继续待在自己的保险柜中，进入半退休状态。

虽然丢失了自己作为绝对参考的光环，但大K仍然可以和它的复制品们一起，用于校准一些精确度要求不那么苛刻的仪器。毕竟，即便自重会随着时间而发生稍许改变，它终究还是比基布尔秤来得容易操作。

撰文 Fabrice Nicot

编译 竹叶

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