美國(guó)物理學(xué)家 William Phillips 由于在激光冷卻和陷俘原子方面的貢獻(xiàn)，和朱棣文、Claude Cohen－Tannoudji 分享了 1997 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Phillips 致力于國(guó)際單位制的重新定義，在 2019 年林道會(huì)議上，他介紹了千克的重定義，引起滿(mǎn)堂喝彩。本文為“賽先生”根據(jù) 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(shū)寫(xiě)了關(guān)于“千克”單位的定義。

　　我們正處在對(duì)計(jì)量系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行改革的偉大時(shí)代——如果我們稍微將目光從“千克”移開(kāi)，放大視野就會(huì)發(fā)現(xiàn)，從 2019 年 4 月 13 日到 2019 年 5 月 20 日短短的五周時(shí)間內(nèi)，國(guó)際單位制七大單位中有四項(xiàng)的定義發(fā)生了改變。

　　一場(chǎng)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(gè)國(guó)家的科學(xué)家在法國(guó)巴黎會(huì)首，商討出一套大家公認(rèn)的計(jì)量系統(tǒng)，簽署《米制公約》，并成立了專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)為度量衡制定標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際計(jì)量局（BIPM）。這次討論定義了 7 個(gè)國(guó)際單位制（SI）基本單位：千克、米、秒、安培、摩爾、開(kāi)爾文和坎德拉，于國(guó)際單位系統(tǒng)而言堪稱(chēng)一場(chǎng)革命。

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

　　如今，隨著科技的發(fā)展，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯浚壳拔覀儗?duì)于“米”——這一長(zhǎng)度的度量——已經(jīng)可以給出非常優(yōu)美的定義；表示電流強(qiáng)度和溫度的安培、開(kāi)爾文也已經(jīng)有了新的定義，也很優(yōu)美；對(duì)于秒，Daivd Wineland 教授發(fā)明的原子鐘，使人們?cè)谖磥?lái)對(duì)時(shí)間度量單位進(jìn)行更精確定義成為可能。

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

　　那么問(wèn)題來(lái)了，我們?nèi)绾螌?duì)自然界中的常量進(jìn)行定義呢？用自然界中的常量對(duì)國(guó)際單位制中的物理量進(jìn)行定義妙處何在？

現(xiàn)場(chǎng)演講照片（攝影：李曉明）

　　一米有多長(zhǎng)

　　在很久很久以前，人們就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行丈量。在古埃及，人們將法老前臂的長(zhǎng)度作為長(zhǎng)度的度量衡，稱(chēng)為“肘”。在建造舉世聞名的金字塔時(shí)，工匠們丈量所依憑的便是長(zhǎng)度為“一肘”的石灰棍。以前臂作長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的好處顯而易見(jiàn)：隨時(shí)隨地可以進(jìn)行參考，但壞處在于不同人之間一肘的長(zhǎng)度存在差別。

　　斗轉(zhuǎn)星移，時(shí)間到了 1791 年，在時(shí)任法國(guó)度量衡委員會(huì)主席的科學(xué)家拉格朗日的推動(dòng)下，法國(guó)國(guó)民議會(huì)決定采用基于“米”的計(jì)量制度——一米被定義為經(jīng)過(guò)巴黎的地球子午線長(zhǎng)度的四千萬(wàn)分之一。

　　1875 年，《米制條約》認(rèn)可了通過(guò)子午線長(zhǎng)度對(duì)“米”進(jìn)行定義，并用鉑銥合金制作了一支標(biāo)準(zhǔn)米尺（又稱(chēng)米原器），保存于塞弗爾。這支標(biāo)準(zhǔn)米尺作為全球長(zhǎng)度單位的標(biāo)準(zhǔn)一直使用到了上世紀(jì)六十年代。

　　后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)利用光的波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度更為精準(zhǔn)的測(cè)量。利用干涉技術(shù)，通過(guò)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(dá)到的精度遠(yuǎn)高于米尺上刻印的最小分度——于是人們開(kāi)始基于光的波長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，盡管米原器仍被作為世界長(zhǎng)度單位定義的標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際科研中，利用光波長(zhǎng)已經(jīng)成為長(zhǎng)度測(cè)量中約定俗成的方法。

　　到了 1960 年，國(guó)際計(jì)量局基于光的波長(zhǎng)對(duì)米單位進(jìn)行了重新定義：“米的長(zhǎng)度等于氪 86 原子的 2p10 和 5d5 能級(jí)之間躍遷的輻射在真空中波長(zhǎng)的 1650763.73 倍。”但幾乎就在同一年，激光被發(fā)明，人們很快就發(fā)現(xiàn)具有更高相干長(zhǎng)度的激光能帶來(lái)更準(zhǔn)確的測(cè)量，并將其作為民間公認(rèn)的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)（盡管官方仍將氪燈波長(zhǎng)當(dāng)作米單位的定義）。你可能會(huì)猜想，接下來(lái)人們會(huì)將米的官方定義修改為基于激光波長(zhǎng)的版本——但事實(shí)上，人們沒(méi)有這么做，現(xiàn)在回看這確實(shí)是明智之舉。

　　在當(dāng)時(shí)，用激光波長(zhǎng)取代氪燈波長(zhǎng)對(duì)米進(jìn)行重新定義看上去是件顯而易見(jiàn)的事情。然而，人們沒(méi)有這樣做。假如按照激光波長(zhǎng)對(duì)米單位進(jìn)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(gè)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(jīng)過(guò)的距離。

　　用什么定義千克

　　類(lèi)似米單位的定義，現(xiàn)在人們用普朗克常數(shù)為千克單位進(jìn)行定義。

　　首先我們來(lái)回顧一下大家在中學(xué)階段接觸的千克的定義：將國(guó)際千克原器的質(zhì)量定義為一千克。

國(guó)際千克原器（復(fù)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(guó)塞爾弗國(guó)際計(jì)量局的千克原器由鉑銥合金鑄成。由于鉑金屬單質(zhì)材質(zhì)偏軟，因此人們?cè)谄渲谢烊脬炘亍槭裁匆x用鉑、銥這兩種元素呢？這是因?yàn)樗鼈兪且阎淖钪氐慕饘僭刂唬鼙M可能地減小稱(chēng)量時(shí)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(shí)候就需要對(duì)由浮力造成的偏差進(jìn)行相關(guān)修正。

　　Q：為什么千克原器做成圓柱體而不是球形？

　　A：這是因?yàn)樵?1875 年的時(shí)候，圓柱體是對(duì)當(dāng)時(shí)金屬加工工藝水平而言最簡(jiǎn)單的形狀。當(dāng)時(shí)的人們就制作了比表面積盡可能小的圓柱體千克原器。當(dāng)然，從比表面積的角度看把千克原器做成球形會(huì)更好，但在制作和實(shí)際使用過(guò)程中制作成球形的工藝難度更高，使用起來(lái)更加麻煩。

　　Q：如何知曉千克原器的質(zhì)量發(fā)生了變化呢？

　　A：實(shí)際上的做法是通過(guò)一臺(tái)精密的替換天平來(lái)進(jìn)行稱(chēng)量的。測(cè)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(shù)量級(jí)的層面對(duì)砝碼進(jìn)行增減。一般地，測(cè)量者可以將測(cè)量的精確度控制在標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò) 10^-9克。

　　Q：假若我們不知道千克原器的質(zhì)量是否發(fā)生了變化，所有質(zhì)量測(cè)量相關(guān)的知識(shí)還能信嗎？

　　A：是的，假若你相信千克原器的質(zhì)量不是準(zhǔn)確的一千克，那你還有哪些值得相信的對(duì)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(dòng)力——這樣做可以讓測(cè)量的結(jié)果更加可信。基于千克原器的質(zhì)量測(cè)量所造成的系統(tǒng)誤差一般可以忽略不計(jì)，千克原器的定義相比于新定義，對(duì)我們的日常生活并不會(huì)造成太大的影響——比如說(shuō)，你在超市對(duì)于一塊要買(mǎi)的奶酪質(zhì)量的稱(chēng)重采用哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都一樣。但對(duì)于計(jì)量學(xué)家而言，這些細(xì)小的偏差就變得很關(guān)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(gè)原因——假如存放在塞弗爾的千克原器損壞了，比方說(shuō)在你把它拿著前往和其他千克原器復(fù)制品進(jìn)行比較的路上，你不小心把它掉落在了一灘酸上導(dǎo)致它被嚴(yán)重腐蝕，這種情況下人們?cè)撛趺崔k？人們很可能會(huì)決定將與這件千克原器作比較的千克原器復(fù)制品定義為新的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)問(wèn)題道出了以一個(gè)人造的實(shí)物作為質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)存在的缺陷。

　　使用千克原器最大的缺點(diǎn)是千克原器本身的磨損導(dǎo)致其質(zhì)量會(huì)發(fā)生微小變化，因此人們需要用一個(gè)自然界中的常量對(duì)千克單位進(jìn)行重新定義。

　　我們知道，物理學(xué)史上有兩個(gè)很著名的公式——普朗克的能量公式E=hv 和愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc²。將它們合并，便可以得到m= hv/c²。根據(jù)這個(gè)公式，我們就能發(fā)現(xiàn)，千克單位可以由普朗克常數(shù)h來(lái)定義。

　　不過(guò)，因?yàn)闇y(cè)量精度問(wèn)題，我們的實(shí)際操作并不是根據(jù)這個(gè)公式進(jìn)行的。我們通過(guò)一種叫基布秤（Kibble Balance）的裝置將質(zhì)量和普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起。基布秤使用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較機(jī)械力和電磁力，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)速度及基于普朗克常數(shù)的電流和電壓實(shí)驗(yàn)值，我們就可以精確測(cè)量以千克為單位的物理質(zhì)量。具體原理參見(jiàn)以下白板內(nèi)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(zhì)量還是 1 千克嗎？我們希望在誤差允許范圍（10^-8千克）內(nèi)，千克原器的質(zhì)量仍然為 1 千克。

　　因?yàn)橛刑嗟娜颂釂?wèn)，而 Phillips 又每個(gè)問(wèn)題都要認(rèn)真的回答，因此他的報(bào)告都沒(méi)有來(lái)得及講完……（攝影：李曉明）

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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