在三個嵌套的玻璃鐘罩下密封，一個閃閃發(fā)光的金屬圓筒坐落在法國塞夫勒國際度量衡局的溫度控制的拱頂中。被稱為Le Grande K或Big K的鉑金和銥在一個多世紀以來一直在全球范圍內(nèi)定義 - 從浴室秤到醫(yī)學實驗室天平。

但這一切都將改變。

今天，來自60多個國家的代表在法國凡爾賽舉行的度量衡大會第26次會議上投票決定重新定義千克。此時，測量將基于物理學中稱為普朗克常數(shù)的基本因素，而不是將該單位建立在這個物理對象上。這個無窮小的數(shù)字，以小數(shù)點后的33個零開始，描述了從蠟燭火焰閃爍到星云閃爍的所有事物中被稱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)，” 國家標準與技術(shù)研究所團隊負責人Stephan Schlamminger說道，他與國際科學家隊一起努力改進普朗克公斤重新定義的常數(shù)。最重要的是，無論位置如何，此值始終保持不變。

一個巨大的變化

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

Schlamminger說，公制系統(tǒng)后來成為國際單位系統(tǒng)，于18世紀后期被設(shè)想為一種讓所有人都可以隨時進行測量的方法。希望是在一個冒險進入不同城鎮(zhèn)的世界中簡化日常生活，這意味著需要學習不同的措施系統(tǒng)。

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

“他們只是沒有技術(shù)或科學才能成功，”戴維斯說。因此，在1799年6月，兩個鉑金標準 - 一根米桿和一公斤圓筒 - 被鍛造，標志著十進制公制的創(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，這種對物理對象的依賴也存在問題。“物質(zhì)對象不會一直存在，”Schlamminger說。咖啡杯破碎; 衣服撕裂; 管道生銹。更重要的是，鎖定在金庫中，這些物品肯定不是“適合所有人”。

在這一世紀中，這些物理對象逐一被基本常數(shù)所取代。公斤是最后的堅持。

多年的減肥

除了難以接近之外，Big K還完成了工作?？茖W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年的時間里，研究人員只有三次將Big K從其金庫中釋放出來，將珍貴的圓柱體與其多余的圓柱體進行比較。

但隨著這些比較中的每一次，科學家們越來越擔心：大K似乎正在減肥。

與其副本相比，這個小圓柱似乎越來越輕。那個，或者它的副本越來越重了。不可能說哪個，因為根據(jù)定義，Big K正好是一公斤。即使有人拿了一個文件并刮掉了一個角落，Big K仍然會重一公斤，全世界的公斤將不得不調(diào)整。

總的來說，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。雖然這可能看起來不是很多，但對于像醫(yī)學這樣嚴格的領(lǐng)域來說，這是一個巨大的問題。最重要的是，這種損失不僅會影響質(zhì)量，還會影響任何其他單位，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題，度量衡大會于2011年一致通過決議，重新定義公斤和三個額外的單位 - 安培，開爾文和鼴鼠 -基于“自然界的不變量”。從那以后，科學家圍繞世界已經(jīng)爭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)。第一種是基于稱為Kibble平衡的東西。它有點像經(jīng)典的光束平衡，實質(zhì)上是一個兩邊都有吊盤的酒吧。要測量某物的重量，請將已知質(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于已知質(zhì)量的重量。

然而，對于粗磨平衡，這些平底鍋中的一個基本上用磁場中的線圈代替。而不是使用重力來平衡質(zhì)量，它使用電磁力。通過將質(zhì)量與該電磁力的各個方面進行比較，科學家們可以對普朗克常數(shù)進行精確測量。

另一個解決方案是基于制作另一個閃閃發(fā)光的物體：一個完美的晶體硅球28。這個想法是基于一個稱為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。通過計算硅球中正好1千克的原子數(shù)，科學家們可以非常準確地計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，通過這兩種方法，科學家現(xiàn)在可以測量一公斤，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。“這就是科學中的東西 - 沒有完美的東西，”他說，“總是有隨機效應(yīng)，而且總會有一點點分散。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足夠好。

該變更將于2019年5月20日生效。“那天，你不會看到我們?nèi)粘Ｉ钪械娜魏巫兓?rdquo;戴維斯說。但不管怎樣，地球上的每一個尺度都與國際千克標準相關(guān)聯(lián)。雖然在您的廚房中測量面粉將保持不變，但新標準為制造汽車零部件，開發(fā)新藥物和制作科學儀器等事物帶來了不同的世界。

今天的投票不僅因為現(xiàn)在可以進行這些測量的令人難以置信的精確度而著稱，而是在這項工作的基礎(chǔ)上進行國際合作。在代表們一致通過新定義后，法國科學院院長塞巴斯蒂安·坎德爾總結(jié)道：“我希望世界上許多其他問題也能實現(xiàn)。”