这牵涉到复杂的科学和美丽又简洁的哲学。

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基布尔秤使得重新定义千克成为可能

  马里兰州盖瑟斯堡地下40英尺的地方,有一间明亮的白色实验室,需要三把不同的钥匙才能进入。美国在那里存放了一笔珍贵的收藏,正是这些亮闪闪的小型金属圆柱体定义了这个国家所有物体的质量。
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  这些圆柱体很漂亮,有着镜子一般的表面,我得要按捺住触碰它们的冲动。假如我果真触碰了它们,我可能用皮肤上的油脂污染了它们,有可能增加它们的重量。美国国家标准技术研究所(NIST)的“千克保管人”帕特里克·阿博特(Patrick Abbott)告诉我,那样会十分糟糕。
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  目前,千克有着非常简单的定义:它是一块从1889年起存放于法国色佛尔的国际计量局内的铂铱合金的质量。它被称为国际千克原器(也被称为大K或Le Grand K),在全球各地有许多复制品——包括存放于盖瑟斯堡的NIST的7件复制品——这些复制品被用来标定刻度,确保整个世界依循同一个度量系统。
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  这儿显示的是NIST的一个名叫K4的复制品,系采用19世纪创造出“大K”时的同一块金属锻造而成。
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  好好看一眼它。因为很快,这个有着129年历史的千克标准将会焕然一新。

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帕特里克·阿博特在NIST 担任“千克保管人”

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这就是国际千克原器的复制品K4,是用同一种铂铱合金锻造而成

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位于秘鲁特鲁希略的称重秤,称重单位包括盎司、磅、克与千克

  2018年11月的第三个周五,来自全球各地的科学家在法国凡尔赛召开的国际计量大会上投票决定改变千克的定义,将它与宇宙中更为普遍的常数联系在一起。这个改变将在2019年5月20日生效。
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  这次变动的一个重要原因在于:“大K”并非持久不变。从它被创造之日算起,它已经失去大约50微克(约为一根眼睫毛的质量)。但是,令人沮丧的情况在于,依照目前的定义,当“大K”的质量降低时,它仍然恰好为1千克重。
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  当“大K”改变时,其他的万物都得要适应调整。有一种情况甚至更加糟糕:如果大K被窃,人类世界的计量系统会陷入一片混乱。
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  在周五的投票中,全球顶尖的计量科学家选择将千克单位与普朗克常数联系起来。普朗克常数是量子力学的基本概念,永远不会改变,无论是在地球还是在宇宙深处都是不变的。
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  这不仅是科学的胜利,也是哲学的胜利,正如我从NIST科学家那儿获知的那样,这些科学家多年以来一直为基本单位的重新定义而努力,将这一刻称为他们整个职业生涯中最令人激动的时刻。
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  有了新的定义后,国际计量大会完成了米制的最初梦想。法国大革命拥抱了米制,米制——它又演变成国际单位制——的设计目的在于“适用于所有时候和所有人”。
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  “物体总是在变化。”NIST参与过单位重新定义的科学家斯特凡·施拉明格尔(Stephan Schlamminger)说。他说,有了新定义,我们定义单位的依据就从地球上的物体变成了天穹中的东西。
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  那是一件值得庆祝的事。在一个万物似乎总是在不断变化中的世界里,这些科学家现在已经确保千克这个单位永远不会改变。

  

千克简史

  你如何知道一件东西的重量?我知道,世上存在显而易见的答案:你将那件东西放在秤上。
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  但是,当你去食品杂货店,给一包苹果称重,那台秤如何知道1磅重的水果有多重?
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  质量度量要有意义的话,我们需要固定的比较点。那些苹果需要比某个东西更重或更轻。为了避免混乱,并且为了允许经济正常运行,那个东西必须是普遍认可的。
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  你常去的食品杂货店里的秤是用一套砝码校准的,那套砝码又是用另一套砝码校准过的,另一套砝码同样是以一套砝码校准过的,诸如此类,不断推演。所有这些校准都追溯到NIST的内部。可靠稳定的度量衡关系到的不仅仅是食品杂货店:想象一下,假如波音公司无法弄清楚一架飞机的准确重量,或者假如制药行业无法确定一剂极小、有可能致死的药物的确切质量,那会如何?
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  在美国,我们仍然使用英制单位:磅和盎司。但是其实我们的所有测量都源自于国际单位制,它使用米和千克作为长度和质量的基础单位。
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  当说到美国境内的质量,所有一切都能追溯到这些冰球外形的圆柱体,它们被精准地制造出来,质量就是1千克。按照官方的说法,在美国境内,1磅被定义为0.453 592 37千克,1英尺被定义为0.304 8米。
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  然而,单位的系统并不总是这么井然有序。在法国大革命和米制发明之前,全球的度量衡系统十分混乱。
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  “想象这么一个世界,你每次出现时都得要使用不同的度量换算表,就像我们出国使用货币那样。”BBC的马达维·拉马尼(Madhvi Ramani)解释说,“这就是18世纪后期法国大革命爆发之前的情况,那时候的度量衡不仅在各个国家不相同,而且在国内也有所不同。”
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  法国大革命是要推翻从封建时代遗留下来的旧的、过时、混乱的阶级制度,秉持平等主义原则再造社会。
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  受到大革命的触动,当时的科学家希望从头开始,建立一套全新、连贯一致的计量系统,不以国王随意发布的命令为单位的基础,而是以自然作为单位的基础。他们的目标是要创造“适用于所有时候和所有人”的计量系统。
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  因此,当国际计量局于19世纪晚期在法国建立时,“米”——长度的标准单位——被创造出来,定为北极到赤道距离的千万分之一。“克”从水的密度中获得灵感:1克粗略等于4摄氏度1立方厘米水的质量。
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  为了传播这些全新的单位,为了确保全世界的每个人理解这些单位,米制的发明者决定创造出物理实体去具化和定义这些单位。他们制作出一根准确等于1米长的金属棍。他们创造出“大K”来代表1千克的质量。
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  从19世纪起,旧米制的所有物理遗存已经被与自然界中的恒力相关的度量取而代之。米最初定义为地球尺寸的一部分,但即便地球的外形也不是永久不变的,甚至也许地球都不是永恒不变的。于是,如今米是通过光速来定义的。单位“秒”与铯元素的原子运动建立了联系。
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  到目前为止,仅有千克仍由物理实体来定义。
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  所以,千克的这个新定义是什么呢?请做好准备,因为这有点儿古怪。

  

以普朗克常数来重新定义千克背后的科学解释

  国际计量大会的周五投票获得一致通过。但国际单位制的改变要到2019年5月才会生效。当改变到来后,国际单位制的千克定义将会如下所述:
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  千克以kg为符号,是国际单位制中的质量单位,其定义是取普朗克常数的稳定数值为6.626 070 15×10-34,再将其以单位焦耳×秒来表示,该单位又等同于kg m2 s-1,其中的米和秒分别用c和?νCs来定义。
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  这到底是什么鬼?
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  比起解释位于法国的一块金属,要解释清楚这些可是困难了许多,但且让我们试一试吧。
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  基本上,国际计量大会将确定普朗克常数的数值,普朗克常数描述极小物质如何以离散的阶或块(被称为量子)释放能量。
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  普朗克常数将会永远确定为6.626 070 15×10-34m2 kg/s。从普朗克常数的这个固定值,科学家能推导出1千克的质量。

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基布尔秤是非常复杂的美妙仪器,能让机械力与电磁力达成平衡

  这一重新定义的努力已经花费了数十年,因为普朗克常数很小(它以小数点开始,后面跟着33个零),必须计算到超小的误差边际。这个工作需要使用非常复杂、名为基布尔秤的仪器进行仔细测量,以及对极其圆的硅球进行观测。
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  这段解释也许看起来很站不住脚,但事实也确实如此。为了更好地领会它,审视一下米(全世界的标准长度单位)如何重新用光速来定义是有益的,这个例子解释了为什么必须重新定义单位。
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  “米”最初被定义为位于法国的国际计量局存放的一根金属棍的长度,后来被重新定义为等于某种辐射的波长。这种定义的问题依然在于它的不精确,它并不是基于宇宙中不变的性质。
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  另一方面,光速是永久不变的299 792 458米/秒。科学家相信,无论你在哪里,光速都是相同的。至少,假如光速改变了,那会颠覆我们所知的关于物理学的几乎所有知识。
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  到了1983年,物理学家已经非常擅长测量光速。于是,他们使用光速永久确定米的长度,确保它是永恒不变的。具体做法是:科学家重新定义米为:在1/299 792 458秒内,光在真空传输的距离。
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  有诗意的方面是:科学家接受米的概念(人类发明的任意长度测量标准)并将其宇宙常数相联系。我们混乱的人类测量已经超越其混乱的人性;测量已经和永恒真理融为一体。
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  以光速来定义的“米”与过去存放于巴黎的米原器长度一样。但是不像过去放在巴黎的米原器,如今米的定义永远不可能改变。
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  同样的事发生在普朗克常数上。像光速一样,普朗克常数也是永远不变的普遍真理。
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  通过给普朗克常数——其单位包括了千克,就像光速的单位包括了米一样——设置最终值的话,千克的大小就永远固定。你也能如这样思考:千克已经锚定于普朗克常数,将会永远不变。
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  (假如你一直在仔细阅读的话,你大概已经注意到,这儿存在有点儿像“先有鸡还是先有蛋”的问题。假如你对光速的测量也包含了单位“米”,那么你要如何试图用光速来定义米?对于普朗克常数,情况是一样的:其单位包含了千克。简短的答案是:这就是为什么研究这些问题的人都拥有博士学位。)

  

基布尔秤使这一切成为可能

  用普朗克常数来重新定义千克一直是巨大挑战,需要用数十年时间来完成的挑战。
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  首先,科学家必须能够极其精确地测量普朗克常数。如果我们对光速的测量存在巨大的误差边际,那么它不会是衡量米的可靠支撑。普朗克常数的情况也是一样。
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  几十年来,NIST以及全球若干其他实验室的科学家一直在使用名叫基布尔秤(有时被称为瓦特秤)的仪器精确测量普朗克常数,测量达到足够细致的程度,因此能用来重新定义千克。
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  像千克原器一样,基布尔秤也深藏在NIST的地下。它建造在一层混凝土地板上,该层地板能漂浮在建筑物的地基上,这样能更好隔离灵敏的仪器设备,免得它们受到设施其余部分的振动影响。进去之前,我必须戴上塑料发网盖住头发,用鞋套包住鞋子,因为任何一点儿尘屑都可能让仪器的刻度失准。
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  假如维多利亚时代的人建造出时间机器,将它停泊在酿酒厂里,我会想象它会看起来像这个样子。
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  基布尔秤的工作原理有点像简单的天平秤。想象一下正义女神手里拿着的天平:天平有两个托盘,在中点形成平衡。简单的天平要比较两个托盘上的物体重量,目标是要二者重量相等。
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这就是基布尔秤的运行原理

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斯特凡·施拉明格尔的普朗克常数文身后面跟着米制的创立格言“适用于所有时候和所有人”

  基布尔秤(以它的发明者英国物理学家布莱恩·基布尔(Bryan Kibble)的姓氏命名)完成类似天平的工作,不过是采用量子力学扭转的方式,它让物体质量施加的机械能等于数值相当的电磁能。
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  基布尔秤让质量与电磁能等同的公式是很复杂的,NIST的科学家领我到白板面前,向我解释了一遍。
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  那条方程式(在所有相关变量中,包括质量、速度、引力、磁性和电)的重要之处在于普朗克常数的出现。科学家使用这台仪器就能解决普朗克常数的问题。数学在此发挥作用,是因为正如爱因斯坦用他的着名方程E=mc2教会我们的,质量与能量本质上是同一东西的不同表达。
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  此刻你也许在思考:既然已经定义了普朗克常数,那么基布尔秤能做什么呢?
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  好吧,它取代了我们对存放于法国的国际千克原器的需要,因为它现在知道用普朗克常数来表示1千克的质量,而且会是精确的测量,是确保1千克仍然是1千克的方法。它能用来称重物体,根据新标准判定物体的质量。
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  阿博特说:“现在,我们对大K稳定性的品质保证是基于协议,我们说它不会改变。我们对基布尔秤的品质保证是:它是基于自然界的常数,而全世界已经严格测量了该常数的数值,而且我们知道它不会改变。”

  

度量衡的民主化正在进行中

  你们还跟得上我的节奏吗?
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  所有这些改变可以归结为一句话:我们将不再需要某个政府或某个国际机构告诉我们1千克是多少。它将成为宇宙中的基础事实,任何有适当仪器的人都可以实现。
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  理论上,人人都能建造出基布尔秤。“他们能做这个实验,他们能测量他们想要测量的任何重物和任何材料,只要把东西放到秤上,你就会获知物体的质量,结果以普朗克常数来表示,绝对不变。”在NIST做基布尔秤实验的达琳·埃尔·哈达德(Darine El Haddad)说道。她还表示,基布尔秤允许进行“绝对测量”。
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  未来,制造业不会需要将它们的砝码和比例尺送到NIST测定刻度,它们可以在自己的工厂内有一台基布尔秤。那么看来,新的单位定义更加民主,它会被自由用于全球各地,而不是锁在法国的柜子中。
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  然而,这次的改变也存在一些较大的缺陷。阿博特说:“人们甚至不理解米制系统,你如何解释基布尔秤呢?”对于想要了解科学的人来说,定义的复杂性也许是迷惑。小学生能理解一块金属的重量等于1千克,但他能明白量子力学吗?
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  施拉明格尔争辩说,尽管新的定义在技术上更加复杂,但“从哲学角度来看,它更简洁”。千克单位很快将通过宇宙的基础物理来定义,而不是人类的某种密谋。
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  施拉明格尔将米制的创立词“适用于所有时候和所有人”文在了他的手臂上,还一起文上了普朗克常数的数值。从中看出他对这个理想的信念是多么强烈。他将这份工作视为“结束从法国大革命开始的弧线”。它终于完整了:在周五的投票之后,如今的千克单位会永久不变,适用于所有时候和所有人。
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  资料来源?vox.com