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2015-10-28 09:00 上傳
國際千克原器 天氣轉寒，正是重食補、貼秋膘的季節。人們紛紛撲向熱氣騰騰的烤魚、羊湯和肥牛，又不得不面對一個充滿惡意的問題：你長胖了幾千克？ 俗話說“美女不過百（斤）”，多少女中豪杰跟“50千克”較上了勁。想要保持體重著實不易，但撼動鐵面無私的稱重系統，還真不是沒有可能。 日前，國際計量委員會（CIMP）的科學家們宣布，他們終于確立了定義“千克（kg）”這一質量基本單位的新方法。物理常數普朗克常量將會接替現用的千克標準——國際千克原器“大K”（Le Grand K），承擔起對千克進行定義的職責。 10月15日和16日，國際計量委員會在巴黎舉行會議，探討了下一步的具體舉措。 這么說來，千克要變了？ 消息傳來，非科學界人士也跟著激動。“我就指望這個讓我體重下降到100斤了。”一名女網友飛快地轉發了這條新聞。 還有人腦洞大開：“如果以一只青島大蝦為基礎來定義質量，鄙人體重約為1400只青島大蝦。” 快醒一醒！科學家們為之辛苦奮斗數十載，可不是為了讓你分分鐘切換進“小量級”。 大部分人不曾見過或聽過國際千克原器，但它實際上無處不在 憑什么你的體重就叫“50千克”？如果非要質問的話，國際千克原器大K就是你要找的對象。 大部分人從不曾見過或聽說過它，但它實際上無處不在。在菜市場稱蔬菜瓜果，為大型汽車輪船測定載重，或是為太陽系外的行星乃至星系估算質量——在這個世界上，對任何物體的質量測定都要追溯到這個39毫米高、底面直徑也為39毫米的貌不驚人的金屬圓柱體上來。 1889年，在法國巴黎召開的第一屆國際計量大會（CGPM）將國際單位制中度量質量的基本單位“千克”定義為：“等于國際千克原器的質量”，這個“身高等于腰圍”的圓胖子還得了個昵稱“大K”。 從那以后，大K就成為科學家欽定的質量界主君，住進位于巴黎郊區的國際計量局（BIPM）白色復古豪宅的地下儲藏室。 人們對它委以重任，并寄予它“永遠不會改變”的期許。 它由9∶1的鉑銥合金制成，具有極強的抗氧化性和抗化學腐蝕性。圓柱體的形狀也使它的表面積盡量減少，從而較大程度降低附著污染物的影響。 與大K一母同胞的還有幾十個復制品。其中6個官方復制品與它保存在同一個地下室，其余的則到世界各地，成為不同國家的原器或質量基準。它們是大K的同胞兄弟，也是遣往各國的使臣，擔負著校正全球質量標準的任務。 在中國，60號和64號兩顆大K復制品駐扎在計量科學研究院昌平實驗基地。它們每隔20年都要不遠萬里回到巴黎述職，與官方復制品進行對比，接受長達數月的嚴格檢查，以確定誤差和穩定性。待它們返回后，這樣的校正傳遞會一直抵達基層，確保國內稱重儀器的準確和統一，比如各個實驗室的天平、工廠的貨秤，再比如，你家里的體重秤。 正是通過這個辛勞又嚴密的工作系統，大K不必御駕親臨，就可以把整個世界的稱重系統掌握在手中。 “高處不勝寒。”126年來，大K主君的生活只是日復一日地在地下靜靜“宅”著，唯一的活動是每過40年接受一次洗澡和體檢。科學家會用麂皮填料鉗將它從所在的位置上取出，用一塊在乙醇和乙醚中浸泡過的布擦拭其表面，并用蒸汽清洗干凈。 對工作人員來說，大K“什么變化都沒有”就是它最大的作為了。 “國際千克原器只存在于巴黎這一個地方，這個人工制品有可能遭到破壞，產生不利的后果。”國際計量局的邁克爾·斯托克曾憂心忡忡地表示。 人們為大K的安全操碎了心。它藏在重重防護下恒溫恒壓的儲藏室里，外有3層鐘形玻璃罩，最外一層是半真空，以防空氣和雜質進入。儲藏室的鋼門需要3把鑰匙才能打開，鑰匙分別攥在國際計量局長、國際計量委員會主席和法國外交部長手里。 這些大人物每年都會開啟儲藏室查看一下，確認大K安穩地待在原地。 人們的關懷備至只有一個要求——哪怕滄海變桑田，你能“磐石無轉移”嗎？ 1千克單位標準的改變對稱體重和寄快遞來說沒啥影響，但會給精密科學研究帶來很大麻煩 這份無比美好的盼望，不過是一廂情愿罷了。 在大K就任質量主君100年后，科學家們失望地發現，比起復制品的平均質量，大K的體重減少了近50微克（μg）。 “奇怪之處在于，這些復制品的質地和它一樣，許多還是在同一時間制造出來的，并在同一條件下保存，但它們的質量卻慢慢有了差異。” 國際計量局物理學家理查德·戴維斯說。 科學家們甚至不能確定究竟是大K的質量變輕了還是復制品變重了，偏移量甚至有可能多于50微克，因為大K和它的復制品兄弟們有可能都在變化。 人們猜測，雖然保存環境內的空氣經過了過濾，仍無法完全隔絕污染物。多年來，慢慢吸附在圓柱體表面及內部的氣體、積攢下來的微塵、使用中形成的微小磨損都會使它們的質量發生難以測查的變化。 2013年1月初，德國《計量學》雜志刊載研究報告稱，作為標準質量單位的國際千克原器大K因表面遭污染而增重數十微克。 報告作者之一、英國紐卡斯爾大學計量學家彼得·坎普森帶領研究小組借助X射線光譜學成像技術，發現大K表面附著數十微克碳基及汞污染。碳可能來源于汽車尾氣，汞污染物則來自實驗室內偶爾打破的水銀溫度計和水銀氣壓計。 無論大K的質量到底是增是減，有一點是確定的，那就是“千克并不穩定”，美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家彼得·莫爾表示。 50微克，大約是一粒沙子的十分之一，這樣的變化對稱體重、買菜和寄快遞的人們來說，影響可以忽略不計。但對于那些從事精密科學研究和數據統計工作的人而言，1千克單位標準的改變，將會給他們的工作帶來很大麻煩。 這似乎也不能責怪“大K”。人們希望它“以不變應萬變”，而時代早已今非昔比。 在它出生的年代，飛機還未被發明。中國上海的街道上還穿梭著人力車、馬車和轎子。留著大辮子的光緒皇帝甚至還沒有統一銀幣的規格，元寶型、馬蹄形、條形，樣式五花八門，每次交易還需要重新稱量。 大K安然隱居在巴黎地下的百年多來，人們已經習慣了科學技術的各種時髦成就。無論多么情有可原，大K身居要職顯然已經不合時宜。 是非功過暫不評說，126歲高齡的大K該退位了。 2018年國際計量大會上，安培、摩爾、開爾文和千克都有望被重新定義 “對整個度量衡系統而言，千克就像白色夾克衫上的黑污點。”有人不客氣地評論。近幾十年來，國際計量大會已經先后修改了其他幾個基本計量單位的定義，大大提高了它們的精確性。 建立在基本物理常數基礎上的質量單位定義，將不隨時間、空間和復現的方法而變化，是計量科學發展的方向。例如，米和秒的單位都以恒定的物理現象為依據。通過光速確定米的定義，通過銫元素的一項譜性確定時鐘的刻度。只有千克依然以大K這塊制作于19世紀的金屬實物為基準。 “在如今這個時代，這顯得有些可笑。因為不僅質量測量依賴于千克原器，所有能量單位、力學單位、在任何方面與‘千克’有關聯的單位都依賴于它。”國際計量局前主任泰瑞·奎恩表示。 科學家們再也不想為大K的安全擔驚受怕，更不愿將整個世界的質量系統栓在并不靠譜的它身上。從1999年起，國際計量大會就開始要求各國計量科學院努力，通過實驗把質量單位和基本物理常數聯系起來，以便未來重新定義千克。 誰是大K年輕有為的繼任者？ 在上世紀90年代早期，泰瑞·奎恩便開始四處活動，試圖用自然界的恒定量定義“千克”。他本以為只需幾年便能提出更好的標準，然而實際研究的道路卻極其困難。 2011年，國際計量委員會正式同意從普朗克常數的角度表達千克。通過愛因斯坦的E=MC2等式，普朗克常數將粒子的能量同其頻率以及其質量關聯起來。這意味著首先要利用基于現有千克參考量的試驗設定普朗克數值，然后用這一數值定義千克。 國際計量局質量及相關量咨詢委員會對此提出了包括試驗方法和試驗結果的重重嚴苛標準。科學家們要兵分兩路，一路通過測量阿伏伽德羅常數來轉換為普朗克常數，一路則運用瓦特天平（Watt Balance）設備，每一路都還至少要有3種獨立的實驗方法，確保達成一致。 這項工作非常復雜，成本又高，美國、英國、德國、意大利、日本等地的眾多實驗室決定共同承擔這項任務。 直到2014年年底，各國團隊才實現了數據的匹配。與此同時，他們將試驗結果的不確定性縮小到規定水平以內，做出了滿足這些標準的結果。 一周前，國際計量委員會探討了一組草案，在2018年國際計量大會上，安培、摩爾、開爾文和千克都有望被重新定義。 至于大K的命運，“我們會保留著它。”國際計量局質量工作組前負責人理查德·戴維斯說，“只是它不會再定義任何事情。” 以物理常數來重新定義，不在于讓千克變得精確，但是會大大增強它的穩定性。也就是說，對我們普通人來說，大K的卸任并不能幫我們變“輕”，只是讓我們胖得更加準確和穩定。 還是網友看得清：“大家在乎體重，說白了不是在乎數字本身的多少，即使重新定義了質量，也無法改變你就是坨肉球的事實。”
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