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战后的1946年,人们把大K从地下室取出进行清洁,并与六个副本比较时发现,它比副本轻了30微克。45年之后再次清洁时,上述质量差增至50微克,大约有一片苍蝇翅膀那么重。

“50微克的变化,历时一个世纪,”斯托克一边给我们看他办公室电脑上的质量变化图,一边感叹道,“你能看出变化有多细微。”按照他的说法,这样的质量差异目前不会带来任何实际问题,“但如果继续下去,迟早会有麻烦。”

在纳米技术领域,50微克可以说重于泰山了。不仅如此,千克质量的不确定性会波及一连串基本常数:公制中力的单位牛顿,定义中就包含千克,而牛顿则进一步定义了焦耳——能量的单位,焦耳又定义了瓦特,如此这般牵连不绝。最终任何一个小问题都将撼动我们对几乎整个物理世界的测量。

清洁大K并用副本校准并不是常规任务,毕竟自1889年至今也仅有四次。首先大K需要被从地下室取出,这需要三人同时在场,自上而下依次打开地下室门上的三把锁,在地下室内是一个配有密码锁的大型保险柜,里面就是安坐在三重钟形玻璃罩下的大K。保险柜里还同时存有六个副本。世界上只有三个人有地下室的钥匙:度量衡局主任、巴黎国家档案馆主任,还有国际度量衡委员会(CIPM)主席,他是度量衡局的监管者。由于三把钥匙都不相同,所以开启地下室需要三人同时在场。

“米制公约1875年签订以来,我是国际度量衡委员会选出的第二位非欧洲人主席,”来自澳大利亚的工程师巴里·英格利斯(Barry Inglis)介绍说,“我曾经问过,如果我回家途中飞机掉到印度洋里去了他们该怎么办,不过我相信应该有锁匠略施小计就能把那把旧锁打开。”

度量衡局的大多数工作人员都无缘得见大K,而且谣传它的官方照片实际上并非本尊。“我见过一次。”从1987年就开始在这工作的苏珊·皮卡尔(Susanne Picard)说。三把钥匙的保管者每年打开一次地下室检查大K,但不会碰它,只是确保它还完好无损地待在那。

在进入了放置大K的圣所之后,一位技术人员会用麂皮包覆的钳子夹起那个闪亮的圆柱,移送到清洁台上,然后用蘸了酒精和乙醚的软麂皮擦拭,接着用经过两次蒸馏的纯水冲洗,最后用氮气吹干所有残留的水滴。整个过程耗时约一小时。国际度量衡局在测试样品上尝试过各种清洁方法,比如用紫外线照射,但这些方法实际上会让合金变得过于干净。“那些方法看似能比我们的方法清除更多的灰尘,但太干净会增强金属表面的反应活性,从而使质量变得不稳定。”斯托克解释说。这会使得大K作为标准的可靠性降低,所以国际度量衡局仍保留了传统的麂皮擦拭和水浴法。

沐浴之后,大K和“证人”们会被送至一间洁净的房间,放在一台名为质量比较仪的设备上,这台价值50万美元的装置能测量出低至1微克的质量差。质量比较仪加上10个所谓的工作标准千克是国际度量衡局质量分部的“全勤员工”,它们用于绝大多数日常校准,而大K及其副本几十年才出马一次,为各国校准国家千克原器。

高难度测量

很快大K就只有历史意义了,新的国际标准将根据普朗克常数重新定义千克。普朗克常数包含能量和时间单位,运用质能方程E= mc²就可以用质量来表示它。像万有引力常数G一样,普朗克常数虽源自理论,但其数值只能通过实验来确定,而且随着仪器的不断改进,我们对自然常数测量精度也在不断提高。

为了完成向量子标准的转变,国际度量衡局采取了两步走的战略。首先,5个国家的国家计量实验室会确定普朗克常数的一个准确数值,并以该数值为单位测量各自国家的千克原器,比较测量结果。这项测试已于2016年秋天完成。假设预计于2017年年初得到的结果令人满意,实验参与者将逆向操作,用各自国家的千克原器对普朗克常数的测量进行精细调节,所得新的普朗克常数将最终用于重新定义千克。

上述大部分工作都需要使用一种名为基布尔秤(Kibble balance)的极为复杂的装置。基布尔秤此前又被称为瓦特秤(Watt balance),为了纪念2016年去世的该装置的发明者——英国物理学家布赖恩·基布尔(Bryan Kibble),计量学家决定重新为其命名。 基布尔秤实验非常难做,以至于2012年 《自然》 (Nature)将其列为物理学界正在进行的最困难的五个实验之一,位列寻找希格斯玻色子和探测引力波之后。

图中所示为美国国家标准技术研究所编号为NIST-4的基布尔秤

再见了,大K

后继发展则取决于2016年测试的结果。5个参与国的计量实验室必须要有3个实验室得到的结果相差在50微克之内——也就是大K质量的不确定度。但是并没有3个实验室成功实现,在先期研究结果公布之后,重新定义工作正式进行。

现在千克将会由普朗克常数定义。国际度量衡局已经为重新定义立下了严格的规矩:不仅所有普朗克常数的测量结果之间相差必须小于亿分之五,而且至少有一个结果的误差必须小于亿分之二。加拿大国家计量实验室已经达到了后一个要求。

现在大K将何去何从?它将继续保存在现在的地下室内。考虑到基布尔秤的复杂程度,我们可能还需继续仰仗千克原器。世界各国的计量实验室不会经常进行艰难的基布尔秤测量,在未来数十年内它们还是会采用新的一批千克原器进行日常校准工作。新的千克原器已经在国际度量衡局进行制作,但它们将会用基布尔秤来进行校准,而不是用大K。

故事结束了吗?我们现在是否有了一个适用于“万民万世”的千克标准?斯多克对此持保留态度。

“在我之前的一位主任,诺贝尔奖得主夏尔·爱德华·纪尧姆(Charles édouard Guillaume)认为目前的千克定义可以用1万年,”斯多克说,“这显然过于乐观了。我不确定这会不会是最后一次重新定义千克,但新定义应该足以用上一段时间,不过或许撑不了1万年。”

SI修订的影响

国际单位制(SI)是全球一致认可的测量体系。其起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。

SI由7个基本单位以及许多导出单位组成。SI单位可以表示任何领域的测量结果,如物体的物理尺寸、温度和时间等。无论是米还是秒,国际单位制必须确保所有日常使用的测量单位,在全球范围内都是可比的、一致的。时间的测量相差零点几秒钟,也许不会影响烹调口感,但对于谁赢得了奥运会的百米短跑冠军或高频的股票市场交易却是非常重要的。

“‘米制’在创立时的愿景即是‘为全人类所用,在任何时代适用’。其初衷是用一种全球一致的‘常数’而非某种主观的标准来定义单位,而这一点随着SI的修订真正成为了现实。”国际计量委员会主席白瑞·英格里斯表示。

正如国际计量局局长马丁·米尔顿在公开发表的声明中所说,此次SI的修订,用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础,意味着我们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。尽管从表面而言,大多数人并不会看到太大变化。“这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了。”马丁·米尔顿说,“就像1967年用原子的特性修订秒定义一样——尽管在修订之初人们并不知道它可以用在哪里。但现在,基于原子钟的计时技术已成为互联网、移动通信和卫星导航等技术的基础。新SI也是这样,它将在未来对科学、技术、贸易、健康、环境以及更多领域产生深远影响。”

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