新千克：穿越大半個宇宙也能稱你

王嘉興

小王子說：很多時候，我們并未意識到一些基礎的科學研究所具有的價值，甚至對科學家們小題大做的行為甚為不解，殊不知我們所有人都在無意識中享受了他們給我們的生活帶來的便捷。

1千克有多重？過去一個多世紀以來，一個藏在法國巴黎秘密地下室里的小圓柱體定義著精確的數值。它和高爾夫球差不多大小，由鉑銥合金制成，價值30萬元，被玻璃罩子層層密封保存。人們把它命名為國際千克原器（IPK），也有人愛稱它為“大K”。

它波瀾不驚地工作了一個多世紀，和存在于世界各地的40個“兄弟”一起，維持著千克這個單位的穩定。但最近因為“瘦了”50微克，大K不得不宣告退休。2018年11月16日，第26屆國際計量大會通過投票，自2019年5月20日起，千克將基于物理常數普朗克常數計算得到。

對于絕大多數人來說，這個變化帶來的直接影響得在小數點后很多個零后面才能體現出來，菜販不會因此更換秤砣。但全世界的科學家都在關注這一變革。對他們而言，大K帶來的不確定性是不能容忍的。

幾乎所有單位的定義都曾經歷這樣的過程：最早從人類自身生活經驗出發，最后走向標準化。18世紀以前，法國有超過700種不同的測量單位，即使是相鄰的村子，同一單位都對應不同的長度。有的地方1圖瓦茲等于成人男子展開雙臂的長度，有的地方則定義為6皮耶，后來，這個單位又被拿破侖規定等于2米。

歷史書中，秦始皇的一大功績便是統一了度量衡。類似的努力一直延續到今天。千克是最后一個還依賴于實體的基本單位。幾十年來，科學家面臨的是不得不改的局面：大K的質量似乎一直在減輕。對1千克的物體來說，50微克意味著0.005%，是幾乎無法察覺的差異。可如果我們把它放到對質量很敏感的領域，例如制藥業，或是精密儀器制造業，這樣的誤差會直接決定成敗。沒有人知道為什么大K在丟失質量。人們花了大價錢，選用了最穩定的金屬之一，不允許任何人靠近，即使是計量局的工作人員，多數都未曾親眼見過大K。

我們有充分的理由拋棄原有的定義，但誰又有資格成為大K的繼任者呢？選擇物理常數是非常自然的想法，但要成為新一代度量衡，測量手段和精度都要滿足非常嚴苛的條件。這項復雜的工作最終由美國、英國、德國、意大利、日本等國的實驗室共同完成。一直到2014年，他們才完成初步工作。新的定義需要借助一種叫作基布爾秤的復雜裝置，需要兩層樓的空間堆放。《自然》曾將基布爾秤實驗選為2012年最困難的5個物理實驗之一。

在2018年的國際計量大會上，摩爾、安培和開爾文的定義也被更新了。1摩爾的數量成為一個固定的數值，不再與質量掛鉤。1安培和1開爾文的大小也不再依賴于測量，完全由基本常數確定。自此，人類首次在基本單位體系中徹底擺脫實物基準，邁向“量子化”時代。

科學技術發展到21世紀，已經很少有人能明白學術前沿的研究到底在做什么，有什么意義。事實上，諾貝爾物理學獎常常垂青與基本單位測量有關的研究，每當人類制造出一臺更準的鐘、一截更好的標尺，都會催生一些無法預期的新應用。物理學界一直流傳著一句話：“把小數點往后挪一位，你就會發現新的真理。”所有科學家都期待著，新的定義能讓小數點多移幾位。

大浪淘沙摘自《中國青年報》