千克老標準不再適用，科學家將重新定義「千克」！
保存在國際計量局總部保險柜中的國際千克原器一直以來都是千克單位的標準砝碼，不過它前幾天(2018.11.16)剛退休：物理學家將重新定義「千克」！
謎語時間！什麼東西既不能按克取又不能整個拿走，否則就亂套了？答案是「大K」！
大K是「國際千克原器」的昵稱，這個直徑與高度均為39毫米的鉑銥合金圓柱體自1889年起就是千克單位的絕對參照，也正是它令所有計重秤得以統一。
大K被收納在三層玻璃罩內，藏於國際計量局的一個特製保險柜里，而國際計量局的辦公地，法國塞夫爾鎮的布勒特伊宮（Pavillon de Breteuil）可不是什麼人都能進的地方。總而言之，它珍貴得很。
大K變輕了？
每隔大約40年，大K會獲得一次出籠的機會，目的是與它其中幾個複製品一較輕重：這6個官方複製品平時和大K鎖在一起，只有此時會拿出來用以確保大K仍然是原來的大K。目前的問題是，大K已經比這6個複製品輕了50微克，而在1889年時，它們的質量是完全一致的。
為什麼會這樣？
很難說，或許是幾個複製品增重了；或許是大K消瘦了；又或許是大家都增重了，只是大K增加的重量較其他少一些。無論如何，問題的嚴峻之處在於，1千克不再是1千克了。同時由於大K的重量就代表了1千克的官方重量，我們似乎需要重新定義一個更輕的1千克才能走出當前困局。
然而這簡直是痴人說夢！你能想像嗎？大家都一窩蜂地去買「新千克標準」的體重秤以確認自己的體重發生了什麼變化；更別說再過一個世紀，很可能還得推倒重來！
不僅如此，千克標準也決定著「牛頓」的定義。作為衡量力大小的單位，牛頓的定義會隨著千克定義的改變而發生變化，而牛頓又影響著作為能量單位的焦耳……所以一個新的千克標準問世將引致一系列基本單位遭到顛覆，這簡直是個災難！
最後，不論是天體物理學還是量子物理學，物理測量一向嚴密和挑剔，若應用的單位在精確性上與事實有偏差，其後果真是叫人無法想像！正因如此，今年11月13日至16日，精通計量學的物理學家齊聚法國凡爾賽見證一大歷史時刻：大K的退役！事實上，千克是僅剩的一個由實物定義的單位。
救場常數
而這個時代的帷幕已然落下，此後，千克將由量子物理學中的普朗克常數來定義。不要小看這個普朗克常數，在某種層面上，它可是很有「分量」的。普朗克常數在物理學上記做h，約等於6.626×10-34焦耳·秒——數值雖小，卻是撐起整個量子物理學的支柱，所以再多支撐一個小小的千克新標準自然不在話下……
實不相瞞，這個普朗克常數涉及的量子物理學知識遠不是靠一兩句話就能釐清的,不過我們還是試著來解釋一下：在這個無限小的微觀世界裡，所有粒子——質子、電子，乃至於原子——都得通過「能量包」（即能量子，也就是能量的量子）來交換能量。
僅僅傳遞半份或是三分之二份能量都是不可能的，只能整包交換。而包的基礎價值又與普朗克常數h息息相關。說白了能量子的角色就好比貨幣交易中的歐元或者美元，是能量交換的基本單位。試著設想下這樣的對話會更容易理解：「早上好啊，電子先生！請問需要多少能量？」「給我5h能量就好！」
最後，尤其要記住，h與大K不同，是一個恆定的常數，因而不會發生變化。僅需確保測出的h值足夠精確，且經過幾種不同的測量方法驗證，以盡量減小可能的實驗誤差。雖說這是件一勞永逸的事，但是每種測量方法的結果都要保證小數點後至少8位數字都相同，這可不是開玩笑的。
革命兩部曲
正在醞釀之中的這場革命分兩個階段。第一階段，我們將最後再使用一次大K，用以推導出大K和h之間的數值關係。換句話說，以現有的千克單位去衡量h，從而建立一個類似於「大K的值是h的XXX倍」的換算公式，不過實際情況當然要比這個複雜得多。第二階段，終結大K，只有這個恆定不變且經過精確測量的常數h可以通過公式來定義真正的千克。
那麼現實中我們該如何實現這第一階段呢？基於大K來衡量普朗克常數的方法主要有兩種：基布爾秤和完美硅球。基布爾秤有些類似傳統的托盤天平。我們在使用傳統天平時，會把需要稱重的物體放置在其中一側托盤上，這個托盤隨即就會因重力作用而下降；然後我們在另一側托盤上逐漸增加一些小砝碼直至兩側托盤迴到同一高度。
這一平衡意味著兩側受到的重力是相同的，換言之兩側托盤擺放的東西擁有相同的質量。所以我們僅需把小砝碼的質量相加就可以知道待測物體的質量。基布爾秤的原理與傳統天平相差無幾，只是用於平衡待測物體質量的不再是小砝碼的自重，而是電磁力，後者可以通過兩三個公式與h聯繫起來。
因此，通過在天平的一端放上大K，另一端通過電磁力來平衡大K的重量，我們就可以從某種層面上「稱」出普朗克常數的分量。
用晶體球定義
另一種方式就更讓人意想不到了，要做的僅僅是統計原子數量。研究人員製作了一個質量剛剛好1千克的硅球。在這枚硅球內部，原子都規整地排列著形成了一個晶體結構，就好比整齊擺放在貨架上的瓶裝飲料一般。研究人員知道單個硅原子的體積，且可以通過進一步測算得知整個硅球的精確體積。
實際上，這個硅球是基於一個近乎完美的球狀模型打造的，這個球狀模型表面上任意一點到球心的距離都幾乎相同，誤差極小。小到什麼程度呢？如果將這個半徑47毫米的球放大到與地球一般大小（半徑6371千米），其表面最低的山谷和最高的山峰之間的高程差不會超過5米！
掌握了整個硅球和單個硅原子的體積，剩下的無非是將二者相除，即可得到硅球中包含的原子個數。再往後就是個尋寶遊戲了，我們需要在不同的公式之間細細尋覓，找到那條將原子數目和普朗克常數聯繫起來的「絲綢之路」。
整個2017年，國際計量局收集了不同實驗室測量出的h精確值，而它的官方數值將在今年11月的凡爾賽會議上得到確定：此後，千克將成為普朗克常數的一個衍生單位。接下來，物理學家也同樣會對安培、開爾文和摩爾等單位進行重新定義，基於同樣的目的：令它們的值不會隨著時間而發生改變。
這些單位的新定義將在2019年5月20日，即來年的世界計量日正式生效。至於大K，它將繼續待在自己的保險柜中，進入半退休狀態。
雖然丟失了自己作為絕對參考的光環，但大K仍然可以和它的複製品們一起，用於校準一些精確度要求不那麼苛刻的儀器。畢竟，即便自重會隨著時間而發生稍許改變，它終究還是比基布爾秤來得容易操作。
撰文 Fabrice Nicot
編譯 竹葉
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