《自然》評出2012年五大挑戰性科學實驗-對千克進行重新定義

自1889年以來，“千克”這一重量是由放在法國巴黎國際度量衡局（BIMP）的一個鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）圓筒所定義，它的高和直徑都是約39毫米。該合金于1879年制成，經仔細調校，符合自18世紀法國大革命以來“千克”的重量，并于10年后被采納，成為國際千克原器。國際千克原器被放置在巴黎市郊的地下室內，人們一直認為這一合金的質量不會改變。

在國際單位制里，除了“千克”，其余6個單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質量是唯一一個以物體來定義的國際單位。用物體來定義重量單位的一個缺點就是物體的重量會隨著時間的流逝而改變。實際上，到了1992年，國際千克原器的質量就發生了變化。經與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當于一個直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質量部主管艾倫·皮卡德說：“確切地說，我們無法確定它的質量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結合了污染物。”

美國國家標準與技術研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對千克進行重新定義的時候了。”普拉特是參與重新定義千克的諸多度量衡學者中的一名。

參與這項研究的科學家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學常量，就像現在用光在真空中的行進速度來定義米一樣：在真空中行進的光在299792458分之一秒內旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學家正研究以更穩定的量子力學常數——普朗克常數h取代物體，重新對“千克”下定義，并盡快達成200年來科學界尋求用穩定數字來統一度量制度的目標。物理常量普朗克常數反映的是量子力學中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常數。將這一等式與更加著名的E=mc2結合在一起，科學家們就可以據此定義質量了。

然而，為普朗克常數確定一個精確的數值本身也是一項非常復雜的工作，目前科學界有兩種不同的方法來確定普朗克常數的數值，而他們得到的結果卻并不一致，由此也讓科學家們對千克進行重新定義變得更加困難。

其中一種方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）來定義普朗克常數。科學家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個普通天平，剛開始，研究人員把一個質量為m的物體懸掛在普通天平的一端，另一端掛著一段總長為L的線圈，線圈位于一個磁場強度為B的磁場中。在線圈中通以強度為i的電流，線圈就受到了一個大小為BLi的力的作用。仔細調節電流強度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通過一系列等式就可以與普朗克常數聯系起來。但實際情況卻并非如此簡單。科學家們仍然需要測量其他數值，比如，本地重力的大小、最大的誤差源以及避免任何形式的振動。

2007年，普拉特采用瓦特天平法測量出了迄今最精確的一個普朗克常數數值——6.62606891×1034Js，誤差相對不確定度為36/109。但是，另一個由英國國家物理實驗所（NPL）制造、現放置于加拿大國家研究委員會國家測量標準研究所的測量儀器提供了一個不同于美國國家標準與技術研究院的結果，其數值更小。

另外一種獲得科學界認可的測量普朗克常數的方法是計數一塊純物質樣本的原子數的數量，科學家們由此可以確定阿伏伽德羅常數（0.012千克碳12中包含的碳12的原子數量）的大小。而阿伏伽德羅常數通過另一系列等式，也可以與普朗克常數產生關聯。

2008年，德國聯邦物理和技術事務研究所的科學家開始利用兩個幾乎完美的1千克半球進行試驗，半球由純度高達99.995%的硅28制成。自此，他們開始使用高精度的激光干涉儀來確定半球的體積；使用X射線衍射來確定其晶體結構，以便更加精確地計算出原子的數量。到目前為止，他們測出的阿伏伽德羅常數為6.02214082×1023，誤差相對不確定度僅僅為30/109。他們再經過一系列等式和換算后得到的普朗克常數的數值與英國國家物理實驗所的瓦特天平測量法提供的結果相符合，但與美國國家標準與技術研究院給出的數值不符。

截止到2010年，普朗克常數的推薦值一般定義為6.62606957×1034Js，其相對不確定度為44/109。有些人表示，這一數值足以用來對千克進行重新定義。但是，也有人認為，需要將誤差相對不確定度縮小到20/109才能對千克進行重新定義。

普拉特表示：“要想做到這一點可能還需耗費一段時間，我們還要進行一些更嚴苛更困難的測量工作。”

據國外媒體報道，鑒于國際千克原器質量的變化給物理學家帶來了巨大的理論挑戰，尤其是對那些需要精確測量的復雜實驗而言，因此，在去年10月21日召開的第24屆國際計量大會上，國際單位委員會決定淘汰千克原器，用基于普朗克常數h的數值來代替“千克”。

大會還表示，在2014年之前“將不會采用這一常數”，此前還將通過實驗評估測量技術的精確性，以確保相對不確定度在20/109以內。如果今后用普朗克常數來表示質量，日常生活不會受到任何影響，比如要買500毫克阿司匹林、半公斤胡蘿卜或一艘5萬噸的游船，千克仍然是千克。然而，這一變化卻會立即對專業實驗室的高精檢測產生重大影響。

1889年到2010年，能沒有變化嗎？是需要修改了。