美國物理學家 William Phillips 由于在激光冷卻和陷俘原子方面的貢獻，和朱棣文、Claude Cohen－Tannoudji 分享了 1997 年的諾貝爾物理學獎。Phillips 致力于國際單位制的重新定義，在 2019 年林道會議上，他介紹了千克的重定義，引起滿堂喝彩。本文為“賽先生”根據 Phillips 的演講整理所得。

基布秤（圖源：Brian Resnick/vox.com）

　　演講 William Phillips
　　整理黃宇翔李唐

　　2019 年 5 月 20 日，人們重新書寫了關于“千克”單位的定義。

　　我們正處在對計量系統系統進行改革的偉大時代——如果我們稍微將目光從“千克”移開，放大視野就會發現，從 2019 年 4 月 13 日到 2019 年 5 月 20 日短短的五周時間內，國際單位制七大單位中有四項的定義發生了改變。

　　一場革命

　　為什么我們要在 5 月 20 日這一天正式宣布改變“千克”單位定義的決定？144 年以前的這一天（1875 年 5 月 20 日），17 個國家的科學家在法國巴黎會首，商討出一套大家公認的計量系統，簽署《米制公約》，并成立了專門負責為度量衡制定標準的國際計量局（BIPM）。這次討論定義了 7 個國際單位制（SI）基本單位：千克、米、秒、安培、摩爾、開爾文和坎德拉，于國際單位系統而言堪稱一場革命。

　　有了這七個基本單位，我們就可以很容易地對所有已知的物理量進行定義，比如速度可以用米每秒表示。

　　如今，隨著科技的發展，通過嚴謹的研究，目前我們對于“米”——這一長度的度量——已經可以給出非常優美的定義；表示電流強度和溫度的安培、開爾文也已經有了新的定義，也很優美；對于秒，Daivd Wineland 教授發明的原子鐘，使人們在未來對時間度量單位進行更精確定義成為可能。

　　縱觀整個國際單位制的變遷史，我們會發現，在千克被重新定義以前，幾乎每一個基本單位都由一個自然界的常量所定義——比如長度的單位米由光速所限定，電流的單位安培由每一個電子所攜帶的電量所決定——如今，由普朗克常數值確定的新“千克”也終于加入了這一行列。

　　那么問題來了，我們如何對自然界中的常量進行定義呢？用自然界中的常量對國際單位制中的物理量進行定義妙處何在？

現場演講照片（攝影：李曉明）

　　一米有多長

　　在很久很久以前，人們就已經開始對長度進行丈量。在古埃及，人們將法老前臂的長度作為長度的度量衡，稱為“肘”。在建造舉世聞名的金字塔時，工匠們丈量所依憑的便是長度為“一肘”的石灰棍。以前臂作長度標準的好處顯而易見：隨時隨地可以進行參考，但壞處在于不同人之間一肘的長度存在差別。

　　斗轉星移，時間到了 1791 年，在時任法國度量衡委員會主席的科學家拉格朗日的推動下，法國國民議會決定采用基于“米”的計量制度——一米被定義為經過巴黎的地球子午線長度的四千萬分之一。

　　1875 年，《米制條約》認可了通過子午線長度對“米”進行定義，并用鉑銥合金制作了一支標準米尺（又稱米原器），保存于塞弗爾。這支標準米尺作為全球長度單位的標準一直使用到了上世紀六十年代。

　　后來，人們發現利用光的波長，可以實現對長度更為精準的測量。利用干涉技術，通過改變干涉儀中小鏡子的位置，切換亮條紋間的相位，這樣做所能達到的精度遠高于米尺上刻印的最小分度——于是人們開始基于光的波長進行長度測量。在很長一段時間里，盡管米原器仍被作為世界長度單位定義的標準，但在實際科研中，利用光波長已經成為長度測量中約定俗成的方法。

　　到了 1960 年，國際計量局基于光的波長對米單位進行了重新定義：“米的長度等于氪 86 原子的 2p10 和 5d5 能級之間躍遷的輻射在真空中波長的 1650763.73 倍。”但幾乎就在同一年，激光被發明，人們很快就發現具有更高相干長度的激光能帶來更準確的測量，并將其作為民間公認的長度標準（盡管官方仍將氪燈波長當作米單位的定義）。你可能會猜想，接下來人們會將米的官方定義修改為基于激光波長的版本——但事實上，人們沒有這么做，現在回看這確實是明智之舉。

　　在當時，用激光波長取代氪燈波長對米進行重新定義看上去是件顯而易見的事情。然而，人們沒有這樣做。假如按照激光波長對米單位進行重新定義，那幾年后倘若有了更好的激光，豈不是又要重新定義了？大家想到了一個更加精妙的想法：利用光速定義米單位——一米被定義為光在真空中1/299792458 秒經過的距離。

　　用什么定義千克

　　類似米單位的定義，現在人們用普朗克常數為千克單位進行定義。

　　首先我們來回顧一下大家在中學階段接觸的千克的定義：將國際千克原器的質量定義為一千克。

國際千克原器（復制品）（圖源：wikipedia）

　　千克原器知多少

　　Q：千克原器的材料是什么？

　　A：保存在法國塞爾弗國際計量局的千克原器由鉑銥合金鑄成。由于鉑金屬單質材質偏軟，因此人們在其中混入銥元素。為什么要選用鉑、銥這兩種元素呢？這是因為它們是已知的最重的金屬元素之一，能盡可能地減小稱量時在空氣中由浮力所造成的偏差。之后所作的千克原器通常是同一批次一起完成的。另外也有人制作鐵制的千克原器，這時候就需要對由浮力造成的偏差進行相關修正。

　　Q：為什么千克原器做成圓柱體而不是球形？

　　A：這是因為在 1875 年的時候，圓柱體是對當時金屬加工工藝水平而言最簡單的形狀。當時的人們就制作了比表面積盡可能小的圓柱體千克原器。當然，從比表面積的角度看把千克原器做成球形會更好，但在制作和實際使用過程中制作成球形的工藝難度更高，使用起來更加麻煩。

　　Q：如何知曉千克原器的質量發生了變化呢？

　　A：實際上的做法是通過一臺精密的替換天平來進行稱量的。測量者將千克原器置于天平的一端，然后更換另一端砝碼使得天平平衡，一般需要在毫克數量級的層面對砝碼進行增減。一般地，測量者可以將測量的精確度控制在標準差不超過 10^-9克。

　　Q：假若我們不知道千克原器的質量是否發生了變化，所有質量測量相關的知識還能信嗎？

　　A：是的，假若你相信千克原器的質量不是準確的一千克，那你還有哪些值得相信的對象？這正是人們迫切地希望用常量重新定義千克單位的一大動力——這樣做可以讓測量的結果更加可信。基于千克原器的質量測量所造成的系統誤差一般可以忽略不計，千克原器的定義相比于新定義，對我們的日常生活并不會造成太大的影響——比如說，你在超市對于一塊要買的奶酪質量的稱重采用哪個標準都一樣。但對于計量學家而言，這些細小的偏差就變得很關鍵了。

　　Q：按照舊定義，假若存放的原始千克原器損壞了，該怎么辦？

　　A：這也是要重新定義千克單位的另一個原因——假如存放在塞弗爾的千克原器損壞了，比方說在你把它拿著前往和其他千克原器復制品進行比較的路上，你不小心把它掉落在了一灘酸上導致它被嚴重腐蝕，這種情況下人們該怎么辦？人們很可能會決定將與這件千克原器作比較的千克原器復制品定義為新的標準。這個問題道出了以一個人造的實物作為質量的標準存在的缺陷。

　　使用千克原器最大的缺點是千克原器本身的磨損導致其質量會發生微小變化，因此人們需要用一個自然界中的常量對千克單位進行重新定義。

　　我們知道，物理學史上有兩個很著名的公式——普朗克的能量公式E=hv 和愛因斯坦的質能方程E=mc²。將它們合并，便可以得到m= hv/c²。根據這個公式，我們就能發現，千克單位可以由普朗克常數h來定義。

　　不過，因為測量精度問題，我們的實際操作并不是根據這個公式進行的。我們通過一種叫基布秤（Kibble Balance）的裝置將質量和普朗克常數聯系在一起?；汲邮褂脙蓚€實驗來比較機械力和電磁力，通過測量移動速度及基于普朗克常數的電流和電壓實驗值，我們就可以精確測量以千克為單位的物理質量。具體原理參見以下白板內容：

你看懂了嗎？（圖源：Brian Resnick/vox.com）

　　那么更改定義之后，原先的千克原器質量還是 1 千克嗎？我們希望在誤差允許范圍（10^-8千克）內，千克原器的質量仍然為 1 千克。

　　因為有太多的人提問，而 Phillips 又每個問題都要認真的回答，因此他的報告都沒有來得及講完……（攝影：李曉明）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的千克的变迁 | 大家谈的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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