一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

從一公斤等於1公升的水在冰點時的重量,到1公升水在4℃下的質量用純鉑製造基準器,再到9:1的配比的鉑銥合金....科學家這次使月普郎克常數來定義「公斤」。

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,法國人就曾為一公斤下過定義:一公升水在冰點時的質量。

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

上週五,科學家們又齊聚在法國,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:這次重寫公斤的定義,跟大家一點關係都沒有。平常人的一公斤,還是原來的一公斤。

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。想要理明白公斤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。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

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:將邊長一公寸立方體的水在冰點0℃時的絕對重量,作為標準質量單位,取名為grave;邊長一公分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了,但是在那時想要實現真空還是很不容易的,所以法國人趁著還有條件時做了幾個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,成為了公斤基準器。

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1公升水的質量,發現跟1795年造出的公斤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準和穩定,如果沿用下去,將來遲早要出亂子。

於是,科學家照著1公升水在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「檔案局公斤」(Kilogramme des Archives)。同時,它的質量也成為了當時公斤的正式定義。

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公斤的複製品,為後來米製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,作為美國官方的公斤基準。

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因為使用了百分之百純鉑,這枚檔案局公斤滿足作為公斤基準器的各項要求: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。

1875年,法國召集各國簽署了一個「米製公約」,成立了國際計量局BIPM。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

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製公約大會上決定製造一個新的公斤基準器,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年第一屆國際度量衡大會召開,他們把這些金屬砣拿出來,測一測,留下了最接近檔案局公斤的那一件,命名為「國際公斤原器」International Prototype of the Kilogram,簡稱IPK 。到了1901年,1公斤正式採用IPK的質量來定義。

IPK一直沿用至今,它也有了一個外號,叫做大K (Big K)。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

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的製作展現了第二次工業革命的科技頂峰和工藝水準,遺憾的是它仍不盡如人意。

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也不準了。

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:在復製品的存放、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 是公斤的定義來源,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,溫度還會改變;後來變成了金屬,不夠堅硬,又升級到了合金——歷史上每一次對公斤的重新定義,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、更尖端的科學探索配得上呢?

在公斤之前,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。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

比如公尺,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?其實還是光在一秒裡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公尺的長度。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

聽起來簡直是神經病,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,反推得到公尺的長度也不變,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。

2011年,第24屆國際度量衡大會的55名與會代表一致同意,開啟重新定義公斤的工作,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:

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

把J s 轉換為用公斤、公尺和秒來表示,如下圖。就像拿光速反推公尺那樣,利用現有的IPK 質量算出普朗克常數h,再去反推公斤就行了。

一次有「重量」的投票,科學家又重新改寫「公斤」的定義

科學家使用瓦特天秤測量普朗克常數

上週五,第26屆國際度量衡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。

對公斤進行重新定義,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……

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