一場有「重量」的投票!捨棄實體測量基準,科學家將重新定義何謂 1 公斤

【為什麼我們要挑選這篇文章】嚴格來說,幾百年前的 1 公斤和現在的 1 公斤的不一樣重。這是因為 1 公斤的量測基準物體的重量容易因外界因素改變。

對普通人來說,1 公斤微小的變化沒什麼大不了,但對需要精準數據的科學家來說,1 公斤是否是符合真正的 1 公斤可很有差別。(責任編輯:陳伯安)

你知道一公斤有多重嗎?

大部分人可能立刻聯想到了水,「記得好像一公升水有多重,就是一公斤?」

這個答案是對的:早在兩百多年前,法國人就曾給一公斤 下過定義:一升水在冰點時的質量。

國際科學界對於一公斤/千克/kg 的定義方式,在那以後又經歷了幾次修改,但大體不變,總是和一升水的質量基本一樣。

2018 年 11 月 16 日,也就是這個週五,科學家們又將齊聚在法國,再次對國際單位制的幾個基本單位的定義進行改寫。

其中,最受人關注的就是公斤了。

不過科學家們已經說了: 這次重寫千克的定義,跟大家一毛錢關係都沒有。平常人的一千克,還是原來的一千克。

剛一聽說的時候,我的想法和你現在可能是一樣的:

定義來定義去,不還是那麼重嗎?成天「重新定義」,是想當賈伯斯嗎?

先別著急。想要理明白千克為什麼要被重新定義,我們得先理解,它的定義最一開始是怎麼來的。

要推算「公斤」一開始的定義,我們得回到法國的路易十六時代

從歷史的角度來看,度量衡總是趨向統一的。秦始皇嬴政的「一法度衡石丈尺」是最早的統一度量衡。類似的事情,也發生在上千年後的法國。

大革命前夕,法國的經濟每況日下,而貴族私定度量單位,更是加重了人民和國家的負擔。在法國科學院輔佐下,法皇路易十六決定統一度量單位。

科學家達成的共識是: 將邊長一分米的立方體的水在冰點 0℃時的絕對重量,作為標準質量單位 ,取名為 grave;邊長一釐米的立方體的水在同樣條件下的絕對重量作為標準質量單位 gravet. 

既然有了標準單位,就要推廣它。問題是水測量起來還是不太方便,真空倒是被馬德堡半球證明瞭,但是在那會兒想要實現真空還是挺費勁的,所以 法國人趁著還有條件做了幾個 1 grave 的金屬砣 ,給社會各界作為參考。

遺憾的是,早早上了斷頭台的路易十六沒能看到自己開創的十進制度量系統開花結果。grave 和 gravet 作為標準度量單位系統的一部分,開始在法國推行使用,並於 1795 年立法,正式名稱為 kilogramme 和 gramme。1795 年做出來的一個金屬砣,成為了千克基準器。

4 年後科學家發現,基準器與真實 1 公斤竟差了 0.08%

1793 年法國製造的 grave 基準器,曾是北大西洋海盜的寶貝。

1799 年,歐洲科學家再次測量一升水的質量,發現跟 1795 年造出的千克基準器差了將近百分之 0.08……

短短四年,就這麼大的誤差?在當時科學家已經意識到這種定義方式不夠精准和穩定,如果沿用下去,將來遲早要出亂子。

於是,科學家照著一升水在 4℃下的質量, 用純鉑 (Platinum) 製造了一個新的基準器 。至於為什麼選 4℃,是因為當時科學家發現水在這個溫度下密度最大,最「穩定」。

這枚鉑錠,在 1799 年送交法國檔案局,命名為檔案局千克(Kilogramme des Archives)。同時,它的質量也成為了當時千克的正式定義。

這個定義沿用了將近一個世紀,西方各國認可它,紛紛前來索要檔案局千克的複製品, 為後來米制全球通行創造了條件 下圖中的這枚鉑圓柱在 1821 年交給了美國政府,作為美國官方的千克基準。

因為使用了百分之百純鉑,這枚檔案局千克滿足作為千克基準器的各項要求: 抗氧化、超高密度(鉛的兩倍、水的 21 倍)、電和熱的傳導性高,以及抗磁化

但是它依然有個問題,就是 硬度不夠

以 9:1 比例組合鉑、銥合金,生成了我們現在用的「1 公斤」

1875 年,法國召集各國簽署了一個米制公約,成立了國際計量局 BIPM。

得益於銥這一剛被發現、密度極高的元素,各國代表和科學家在米制公約大會上決定製造一個新的千克基準器,採用 9:1 的配比將鉑和銥組成合金。這樣既能保證鉑的屬性,又能增強硬度。

法國製造了一批高度和直徑均為 39.17mm 的鉑銥合金圓柱體,按照約定妥善保存。

等到 1889 年第一屆國際計量大會召開,他們把這些金屬砣拿出來,測一測,留下了最接近檔案局千克的那一件, 命名為國際千克原器 International Prototype of the Kilogram,簡稱 IPK。到了 1901 年,1 千克正式採用 IPK 的質量來定義。

圖:BIPM

IPK(上圖)一直沿用至今 ,它也有了一個外號,叫做大 K (Big K)。

照著大 K,國際計量局又生產了十六枚複製品,十枚用,六枚不用,它們和大 K 一起存放在法國郊外的一座城堡地下室,需要三把獨立的鑰匙才能打開的保險庫內,放在玻璃罩里,盡量減少與外界的接觸。

圖:BIPM

除了這十六枚, 該機構還另外生產了不到一百枚,交給各國保存和使用

這些複製品的質量,和大 K 極為接近,倒也沒有完全一樣的。這怎麼行?倒也還好,它們有各自的編號,誕生之時和大 K 之間的質量差值也記錄了。比如 K20,由美國持有,生產出來的質量是 1kg-39μg,也即比大 K 少 39 微克。

大 K 的製作體現了第二次工業革命的科技頂峰和工藝水平,遺憾的是它仍不盡如人意。

現在為什麼又要重新定義 1 公斤呢?

不知道該說意料之中還是意料之外: 一百年過去後,科學家們發現大 K 也不准了

在過去,國際計量局一共只把大 K 拿出來過三次,和散落在世界各地的進行測量,分別在 1889、1948 和 1989 年。1889 年,K20 的質量為 1kg-39μg;1948 年,1kg-19μg。

到了 1989 年,K20 的質量已經和大 K 完全相同了。

乍一看這屬於正常現象: 在複製品的存放、運輸,以及測量之前的清洗過程中,吸收空氣增加質量或者因磨損丟失質量都是可預期的。

但是目前的研究顯示,這些秤砣的質量隨著時間的推移會發生微小的變化。同時,過度使用也對其造成損傷,因為它實在太金貴了,以至於有專家表示, 你在它旁邊打個噴嚏都會讓其質量發生變化

IPK 的清理過程(圖:BIPM)

這一切讓科學家感到恐慌: IPK 是千克的定義來源,可是僅僅 3 次使用就能造成質量變化 ,長期來看對測量質量這件事是很不方便的;而且,如果 IPK 的 質量本身不穩定 ,隨著時間的推移會發生變化,那麼對於需要誤差、極低甚至完全沒有誤差的科學研究來說,又怎麼能夠接受呢?

這並不是吹毛求疵。一開始是稱水,晃來晃去的,溫度還變;後來變成了金屬,不夠堅硬,又升級到了合金——歷史上每一次對千克的重新定義,都是在追求更高的精確度和穩定性,背後的推動力源自於技術和工藝的進步。正是這種進步,為人們帶來了更加比之前更加精確的計量方法。

現在,科學界普遍認為下一次技術革新——量子革命——即將到來。你說,是不是更加精確的標準和定義方式,才能跟更深度、更前沿的科學探索配得上呢?

在千克之前,國際單位制裡面其它 6 個基本單位早已不再依據實質物體來定義了。

比如米,之前就是存放在巴黎的一根鉑棒的長度,後來被修改成了光在 1/299,792,458 秒走過的距離。

光速又是怎麼來的呢?其實還是光在一秒里穿過了多少根棒子長度的真空,然後再用算出來的光速反推米的長度。

聽起來簡直是有病,但是這種重新定義在科學家看來仍然有很重要的意義。因為光速不變,反推得到米的長度也不變,但總有一天這根棒子會變短,無論因為什麼原因——至少現在,我們得到了一個更加科學和精確的定義方式。

如果不用液體、固體定義 1 公斤,拿什麼定義最合適?

2011 年,第 24 屆國際計量大會的 55 名與會代表一致同意,開啓重新定義千克的工作,採用普朗克常數來作為基準。

用簡單的人話來講,普朗克常數描述的是能量大小,單位是 J s。 你可以把它理解為圓周率, 是一個固定不會改變的數值

國際計量委員會提議,對普朗克常數進行如下定義:

把 J s 轉換為用千克、米和秒來表示,如下圖。就像拿光速反推米那樣,利用現有的 IPK 質量算出普朗克常數 h,再去反推千克就行了。

科學家使用瓦特天秤測量普朗克常數(圖:BIPM)

如無意外,2018 年 11 月 16 日,也就是本週五,第 26 屆國際計量大會將會通過這項提案,並 從 2019 年 5 月 20 日開始正式執行

看到這裡,你是不是只想知道,這次重新定義對我們普通人有什麼關係?上菜市場賣肉,買到的比以前多了還是少了?

簡單的答案是:毫無關係。

對千克進行重新定義,對於普通人使用這個計量單位不會造成任何影響, 它更大的意義在於為接下來量子時代的科學研究鋪設好道路 ,提前消除掉測量的不統一、不標準和不精確所造成的障礙。

稍微複雜一點的答案是:畢竟普朗克常數也是用現有的 IPK 推出來的,所以理論上,現在的一公斤跟 2019 年 5 月 20 日之後的一公斤,甚至跟一千年,一萬年後的一公斤,都是一樣重的。

如果屆時人類還沒滅亡的話……

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈一次有“重量”的投票,即将彻底改写千克的定义 〉,首圖來源:Youtube。)

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