在三個(gè)嵌套的玻璃鐘罩下密封，一個(gè)閃閃發(fā)光的金屬圓筒坐落在法國(guó)塞夫勒國(guó)際度量衡局的溫度控制的拱頂中。被稱(chēng)為L(zhǎng)e Grande K或Big K的鉑金和銥在一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直在全球范圍內(nèi)定義 - 從浴室秤到醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室天平。

但這一切都將改變。

今天，來(lái)自60多個(gè)國(guó)家的代表在法國(guó)凡爾賽舉行的度量衡大會(huì)第26次會(huì)議上投票決定重新定義千克。此時(shí)，測(cè)量將基于物理學(xué)中稱(chēng)為普朗克常數(shù)的基本因素，而不是將該單位建立在這個(gè)物理對(duì)象上。這個(gè)無(wú)窮小的數(shù)字，以小數(shù)點(diǎn)后的33個(gè)零開(kāi)始，描述了從蠟燭火焰閃爍到星云閃爍的所有事物中被稱(chēng)為光子的基本光譜包的行為。

“這一基本常數(shù)融入了宇宙結(jié)構(gòu)，” 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Stephan Schlamminger說(shuō)道，他與國(guó)際科學(xué)家隊(duì)一起努力改進(jìn)普朗克公斤重新定義的常數(shù)。最重要的是，無(wú)論位置如何，此值始終保持不變。

一個(gè)巨大的變化

公斤是國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位之一，它定義了所有其他測(cè)量。(其他六個(gè)基本單位是米，第二個(gè)，鼴鼠，安培，開(kāi)爾文和坎德拉)。人們很容易忽視單位的重要性，但這七個(gè)單位是宇宙中一切的基礎(chǔ)。它們確保了制造，商業(yè)，科學(xué)創(chuàng)新等方面的穩(wěn)定性。

Schlamminger說(shuō)，公制系統(tǒng)后來(lái)成為國(guó)際單位系統(tǒng)，于18世紀(jì)后期被設(shè)想為一種讓所有人都可以隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量的方法。希望是在一個(gè)冒險(xiǎn)進(jìn)入不同城鎮(zhèn)的世界中簡(jiǎn)化日常生活，這意味著需要學(xué)習(xí)不同的措施系統(tǒng)。

國(guó)際度量衡局的名譽(yù)研究物理學(xué)家理查德戴維斯 解釋說(shuō)，這些早期公制單位中有許多是基于自然界的事物，該組織負(fù)責(zé)管理與測(cè)量有關(guān)的所有事物。但最終，這些被證明是不切實(shí)際的。例如，儀表被定義為從北極到赤道的距離的1 / 10,000,000，經(jīng)過(guò)巴黎。千克是在其冰點(diǎn)處的一升蒸餾水的質(zhì)量。

“他們只是沒(méi)有技術(shù)或科學(xué)才能成功，”戴維斯說(shuō)。因此，在1799年6月，兩個(gè)鉑金標(biāo)準(zhǔn) - 一根米桿和一公斤圓筒 - 被鍛造，標(biāo)志著十進(jìn)制公制的創(chuàng)建。為了提高它們的穩(wěn)定性，原型在1889年由鉑 - 銥合金重新鑄造并存放在鎖和鑰匙下。

然而，這種對(duì)物理對(duì)象的依賴(lài)也存在問(wèn)題。“物質(zhì)對(duì)象不會(huì)一直存在，”Schlamminger說(shuō)。咖啡杯破碎; 衣服撕裂; 管道生銹。更重要的是，鎖定在金庫(kù)中，這些物品肯定不是“適合所有人”。

在這一世紀(jì)中，這些物理對(duì)象逐一被基本常數(shù)所取代。公斤是最后的堅(jiān)持。

多年的減肥

除了難以接近之外，Big K還完成了工作?？茖W(xué)家們?yōu)槭澜绺鞯氐难芯咳藛T制作了一系列副本供他們使用。在將近130年的時(shí)間里，研究人員只有三次將Big K從其金庫(kù)中釋放出來(lái)，將珍貴的圓柱體與其多余的圓柱體進(jìn)行比較。

但隨著這些比較中的每一次，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越擔(dān)心：大K似乎正在減肥。

與其副本相比，這個(gè)小圓柱似乎越來(lái)越輕。那個(gè)，或者它的副本越來(lái)越重了。不可能說(shuō)哪個(gè)，因?yàn)楦鶕?jù)定義，Big K正好是一公斤。即使有人拿了一個(gè)文件并刮掉了一個(gè)角落，Big K仍然會(huì)重一公斤，全世界的公斤將不得不調(diào)整。

總的來(lái)說(shuō)，Big K的質(zhì)量與其副本的差異大約為50微克 - 幾乎是一粒鹽的質(zhì)量。雖然這可能看起來(lái)不是很多，但對(duì)于像醫(yī)學(xué)這樣嚴(yán)格的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的問(wèn)題。最重要的是，這種損失不僅會(huì)影響質(zhì)量，還會(huì)影響任何其他單位，如牛頓，它們與質(zhì)量相關(guān)。

這是怎么回事?

為解決這一重量損失問(wèn)題，度量衡大會(huì)于2011年一致通過(guò)決議，重新定義公斤和三個(gè)額外的單位 - 安培，開(kāi)爾文和鼴鼠 -基于“自然界的不變量”。從那以后，科學(xué)家圍繞世界已經(jīng)爭(zhēng)先恐后地尋求解決方案。

公斤出現(xiàn)了兩種不同的可能性，這兩種可能性都與普朗克的常數(shù)相關(guān)。第一種是基于稱(chēng)為Kibble平衡的東西。它有點(diǎn)像經(jīng)典的光束平衡，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)兩邊都有吊盤(pán)的酒吧。要測(cè)量某物的重量，請(qǐng)將已知質(zhì)量放在一側(cè)，將感興趣的物體放在另一側(cè)。由于重力，您可以知道該物體相對(duì)于已知質(zhì)量的重量。

然而，對(duì)于粗磨平衡，這些平底鍋中的一個(gè)基本上用磁場(chǎng)中的線(xiàn)圈代替。而不是使用重力來(lái)平衡質(zhì)量，它使用電磁力。通過(guò)將質(zhì)量與該電磁力的各個(gè)方面進(jìn)行比較，科學(xué)家們可以對(duì)普朗克常數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。

另一個(gè)解決方案是基于制作另一個(gè)閃閃發(fā)光的物體：一個(gè)完美的晶體硅球28。這個(gè)想法是基于一個(gè)稱(chēng)為Avogadro數(shù)的常數(shù)，它將痣中的原子數(shù)定義為大約602,214,000,000,000,000,000,000。通過(guò)計(jì)算硅球中正好1千克的原子數(shù)，科學(xué)家們可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出阿伏加德羅的數(shù)量。然后可以將其轉(zhuǎn)換為普朗克常數(shù)。(了解有關(guān)在千克重新定義中使用Avogadro數(shù)量的更多信息。)

普朗克常數(shù)的最終值是難以想象的?。?.0000000000000000000000000000000000000662607015米 - 平方 - 千克每秒。

等待結(jié)束了

Schlamminger說(shuō)，通過(guò)這兩種方法，科學(xué)家現(xiàn)在可以測(cè)量一公斤，其中不確定性為100,000,000的一部分，差異大約是睫毛重量的四分之一。“這就是科學(xué)中的東西 - 沒(méi)有完美的東西，”他說(shuō)，“總是有隨機(jī)效應(yīng)，而且總會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)分散。而且你必須決定：它是否足夠好?“今天的一致投票表明這確實(shí)足夠好。

該變更將于2019年5月20日生效。“那天，你不會(huì)看到我們?nèi)粘Ｉ钪械娜魏巫兓?rdquo;戴維斯說(shuō)。但不管怎樣，地球上的每一個(gè)尺度都與國(guó)際千克標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。雖然在您的廚房中測(cè)量面粉將保持不變，但新標(biāo)準(zhǔn)為制造汽車(chē)零部件，開(kāi)發(fā)新藥物和制作科學(xué)儀器等事物帶來(lái)了不同的世界。

今天的投票不僅因?yàn)楝F(xiàn)在可以進(jìn)行這些測(cè)量的令人難以置信的精確度而著稱(chēng)，而是在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行國(guó)際合作。在代表們一致通過(guò)新定義后，法國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)塞巴斯蒂安·坎德?tīng)柨偨Y(jié)道：“我希望世界上許多其他問(wèn)題也能實(shí)現(xiàn)。”