“千克”被重新定义：计量学重要时刻

作者：安贾娜•阿胡贾

没有一个饮酒者喜欢短斤少两，正如《大宪章》(Magna Carta)在800多年前就认识到这一点：“全国应有统一之度量衡。酒类、烈性麦酒与谷物之量器，以伦敦夸尔为标准；染色布、土布、锁子甲布之宽度应以织边下之两码为标准…… ”

2018年11月16日，计量学——研究度量的科学——迎来又一个重要时刻。经过一次国际投票后，千克的定义被改变了。标准质量单位不再是国际千克原器(IPK)——一块19世纪的铂铱合金圆柱体，存放在巴黎附近一个地下保险库的三层钟形罐中（见上图）。取而代之的是，千克将使用普朗克常数(Planck’s constant)计算，这是一个小到不可思议的数字，在量子物理学中扮演着极为重要的角色。

这是一个历史性时刻：千克是现存最后一个以实物基准定义的主要单位。上周五国际计量局(International Bureau of Weights and Measures)在法国举行的投票意味着，这一看起来如此坚实的衡量标准以一个基本但无形的自然常数为基准。

目前，千克的问题在于……它是一个东西。世界各地的国家实验室存放了大约40件复制品，其中包括英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)。由于表面污染和氧化，它们的质量逐渐出现偏差和不同，其差异值大概为一根睫毛的重量。

这些差异——以百万分之一克来衡量——引发了两个问题。首先，有些行业，如制药和精密加工等，现在对质量的要求更为精确，这些老古董已无法满足。其次，国际千克原器还被用于计算其他单位，如牛顿、帕斯卡和焦耳（分别是力、压力和能量的单位），质量的波动会在测量链的其他环节引发一系列不确定性。

利用基本自然常数重新定义千克，将使国际单位制(Système international d’unités，简称SI)稳定下来。国际单位制是1960年制定的7个基本单位，构成了当今计量学的支柱。一个新的千克——加上另外3个重新定义的单位——将再度更新《米制公约》(Metre Convention)，这是一份政府间条约，最初在1875年由17个国家签署。

此次计量更新让物理学中两个具有里程碑意义的方程式成了主角，这两个方程式将宇宙中的基本量联系起来，例如质量、能量、辐射频率和光速。

第一个方程式是E=mc²，由阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)于1905年提出，式中“E”代表能量，“m”代表质量，“c”代表光速。第二个方程式是德国科学家马克斯•普朗克(Max Planck)贡献的，他在小时候是一名神童，最终选择了物理学而不是音乐。1900年，普朗克提出一种理论，认为光只能以不连续的一份一份的能量——称为量子——发射、传播或吸收。

这一原理构成了量子理论基础，以E=hf这一简单的方程式来表达，式中“E”代表能量，“f”代表辐射频率，“h”是一个常数。普朗克于1918年获得诺贝尔物理学奖，而“h”成了“普朗克常数”。

将爱因斯坦和普朗克的公式结合起来意味着，质量可以用普朗克常数来定义。自2011年以来，世界各地的科学家们用一台名为“基布尔秤”的无比精准的称量器，力求为“h”确立一个精确值，最终确定为6.626070150 x 10⁻³⁴ J•s。

巴黎那块圆柱体最终会淡出历史，变成一个古雅的脚注，就像12世纪定义一码的皇室法令：“从国王的鼻尖到他伸出的拇指尖的距离”。让我们沉痛地为此举起一量器的葡萄酒，或烈性麦酒。

• 本文作者是一名科学评论员
• 来源：FT中文网
• 译者：何黎