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2015-10-28 09:00 上傳
國(guó)際千克原器 天氣轉(zhuǎn)寒，正是重食補(bǔ)、貼秋膘的季節(jié)。人們紛紛撲向熱氣騰騰的烤魚、羊湯和肥牛，又不得不面對(duì)一個(gè)充滿惡意的問題：你長(zhǎng)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(shí)不易，但撼動(dòng)鐵面無私的稱重系統(tǒng)，還真不是沒有可能。 日前，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIMP）的科學(xué)家們宣布，他們終于確立了定義“千克（kg）”這一質(zhì)量基本單位的新方法。物理常數(shù)普朗克常量將會(huì)接替現(xiàn)用的千克標(biāo)準(zhǔn)——國(guó)際千克原器“大K”（Le Grand K），承擔(dān)起對(duì)千克進(jìn)行定義的職責(zé)。 10月15日和16日，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在巴黎舉行會(huì)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(xué)界人士也跟著激動(dòng)。“我就指望這個(gè)讓我體重下降到100斤了。”一名女網(wǎng)友飛快地轉(zhuǎn)發(fā)了這條新聞。 還有人腦洞大開：“如果以一只青島大蝦為基礎(chǔ)來定義質(zhì)量，鄙人體重約為1400只青島大蝦。” 快醒一醒！科學(xué)家們?yōu)橹量鄪^斗數(shù)十載，可不是為了讓你分分鐘切換進(jìn)“小量級(jí)”。 大部分人不曾見過或聽過國(guó)際千克原器，但它實(shí)際上無處不在 憑什么你的體重就叫“50千克”？如果非要質(zhì)問的話，國(guó)際千克原器大K就是你要找的對(duì)象。 大部分人從不曾見過或聽說過它，但它實(shí)際上無處不在。在菜市場(chǎng)稱蔬菜瓜果，為大型汽車輪船測(cè)定載重，或是為太陽系外的行星乃至星系估算質(zhì)量——在這個(gè)世界上，對(duì)任何物體的質(zhì)量測(cè)定都要追溯到這個(gè)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(guó)巴黎召開的第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）將國(guó)際單位制中度量質(zhì)量的基本單位“千克”定義為：“等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量”，這個(gè)“身高等于腰圍”的圓胖子還得了個(gè)昵稱“大K”。 從那以后，大K就成為科學(xué)家欽定的質(zhì)量界主君，住進(jìn)位于巴黎郊區(qū)的國(guó)際計(jì)量局（BIPM）白色復(fù)古豪宅的地下儲(chǔ)藏室。 人們對(duì)它委以重任，并寄予它“永遠(yuǎn)不會(huì)改變”的期許。 它由9∶1的鉑銥合金制成，具有極強(qiáng)的抗氧化性和抗化學(xué)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(gè)復(fù)制品。其中6個(gè)官方復(fù)制品與它保存在同一個(gè)地下室，其余的則到世界各地，成為不同國(guó)家的原器或質(zhì)量基準(zhǔn)。它們是大K的同胞兄弟，也是遣往各國(guó)的使臣，擔(dān)負(fù)著校正全球質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。 在中國(guó)，60號(hào)和64號(hào)兩顆大K復(fù)制品駐扎在計(jì)量科學(xué)研究院昌平實(shí)驗(yàn)基地。它們每隔20年都要不遠(yuǎn)萬里回到巴黎述職，與官方復(fù)制品進(jìn)行對(duì)比，接受長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的嚴(yán)格檢查，以確定誤差和穩(wěn)定性。待它們返回后，這樣的校正傳遞會(huì)一直抵達(dá)基層，確保國(guó)內(nèi)稱重儀器的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，比如各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)辛勞又嚴(yán)密的工作系統(tǒng)，大K不必御駕親臨，就可以把整個(gè)世界的稱重系統(tǒng)掌握在手中。 “高處不勝寒。”126年來，大K主君的生活只是日復(fù)一日地在地下靜靜“宅”著，唯一的活動(dòng)是每過40年接受一次洗澡和體檢。科學(xué)家會(huì)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(duì)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(guó)際千克原器只存在于巴黎這一個(gè)地方，這個(gè)人工制品有可能遭到破壞，產(chǎn)生不利的后果。”國(guó)際計(jì)量局的邁克爾·斯托克曾憂心忡忡地表示。 人們?yōu)榇驥的安全操碎了心。它藏在重重防護(hù)下恒溫恒壓的儲(chǔ)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(zhì)進(jìn)入。儲(chǔ)藏室的鋼門需要3把鑰匙才能打開，鑰匙分別攥在國(guó)際計(jì)量局長(zhǎng)、國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席和法國(guó)外交部長(zhǎng)手里。 這些大人物每年都會(huì)開啟儲(chǔ)藏室查看一下，確認(rèn)大K安穩(wěn)地待在原地。 人們的關(guān)懷備至只有一個(gè)要求——哪怕滄海變桑田，你能“磐石無轉(zhuǎn)移”嗎？ 1千克單位標(biāo)準(zhǔn)的改變對(duì)稱體重和寄快遞來說沒啥影響，但會(huì)給精密科學(xué)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(zhì)量主君100年后，科學(xué)家們失望地發(fā)現(xiàn)，比起復(fù)制品的平均質(zhì)量，大K的體重減少了近50微克（μg）。 “奇怪之處在于，這些復(fù)制品的質(zhì)地和它一樣，許多還是在同一時(shí)間制造出來的，并在同一條件下保存，但它們的質(zhì)量卻慢慢有了差異。” 國(guó)際計(jì)量局物理學(xué)家理查德·戴維斯說。 科學(xué)家們甚至不能確定究竟是大K的質(zhì)量變輕了還是復(fù)制品變重了，偏移量甚至有可能多于50微克，因?yàn)榇驥和它的復(fù)制品兄弟們有可能都在變化。 人們猜測(cè)，雖然保存環(huán)境內(nèi)的空氣經(jīng)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(nèi)部的氣體、積攢下來的微塵、使用中形成的微小磨損都會(huì)使它們的質(zhì)量發(fā)生難以測(cè)查的變化。 2013年1月初，德國(guó)《計(jì)量學(xué)》雜志刊載研究報(bào)告稱，作為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量單位的國(guó)際千克原器大K因表面遭污染而增重?cái)?shù)十微克。 報(bào)告作者之一、英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)計(jì)量學(xué)家彼得·坎普森帶領(lǐng)研究小組借助X射線光譜學(xué)成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大K表面附著數(shù)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)偶爾打破的水銀溫度計(jì)和水銀氣壓計(jì)。 無論大K的質(zhì)量到底是增是減，有一點(diǎn)是確定的，那就是“千克并不穩(wěn)定”，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的物理學(xué)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(duì)稱體重、買菜和寄快遞的人們來說，影響可以忽略不計(jì)。但對(duì)于那些從事精密科學(xué)研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作的人而言，1千克單位標(biāo)準(zhǔn)的改變，將會(huì)給他們的工作帶來很大麻煩。 這似乎也不能責(zé)怪“大K”。人們希望它“以不變應(yīng)萬變”，而時(shí)代早已今非昔比。 在它出生的年代，飛機(jī)還未被發(fā)明。中國(guó)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(tǒng)一銀幣的規(guī)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(jīng)習(xí)慣了科學(xué)技術(shù)的各種時(shí)髦成就。無論多么情有可原，大K身居要職顯然已經(jīng)不合時(shí)宜。 是非功過暫不評(píng)說，126歲高齡的大K該退位了。 2018年國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，安培、摩爾、開爾文和千克都有望被重新定義 “對(duì)整個(gè)度量衡系統(tǒng)而言，千克就像白色夾克衫上的黑污點(diǎn)。”有人不客氣地評(píng)論。近幾十年來，國(guó)際計(jì)量大會(huì)已經(jīng)先后修改了其他幾個(gè)基本計(jì)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(shù)基礎(chǔ)上的質(zhì)量單位定義，將不隨時(shí)間、空間和復(fù)現(xiàn)的方法而變化，是計(jì)量科學(xué)發(fā)展的方向。例如，米和秒的單位都以恒定的物理現(xiàn)象為依據(jù)。通過光速確定米的定義，通過銫元素的一項(xiàng)譜性確定時(shí)鐘的刻度。只有千克依然以大K這塊制作于19世紀(jì)的金屬實(shí)物為基準(zhǔn)。 “在如今這個(gè)時(shí)代，這顯得有些可笑。因?yàn)椴粌H質(zhì)量測(cè)量依賴于千克原器，所有能量單位、力學(xué)單位、在任何方面與‘千克’有關(guān)聯(lián)的單位都依賴于它。”國(guó)際計(jì)量局前主任泰瑞·奎恩表示。 科學(xué)家們?cè)僖膊幌霝榇驥的安全擔(dān)驚受怕，更不愿將整個(gè)世界的質(zhì)量系統(tǒng)栓在并不靠譜的它身上。從1999年起，國(guó)際計(jì)量大會(huì)就開始要求各國(guó)計(jì)量科學(xué)院努力，通過實(shí)驗(yàn)把質(zhì)量單位和基本物理常數(shù)聯(lián)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(jì)90年代早期，泰瑞·奎恩便開始四處活動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)，然而實(shí)際研究的道路卻極其困難。 2011年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)正式同意從普朗克常數(shù)的角度表達(dá)千克。通過愛因斯坦的E=MC2等式，普朗克常數(shù)將粒子的能量同其頻率以及其質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來。這意味著首先要利用基于現(xiàn)有千克參考量的試驗(yàn)設(shè)定普朗克數(shù)值，然后用這一數(shù)值定義千克。 國(guó)際計(jì)量局質(zhì)量及相關(guān)量咨詢委員會(huì)對(duì)此提出了包括試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果的重重嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)家們要兵分兩路，一路通過測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)來轉(zhuǎn)換為普朗克常數(shù)，一路則運(yùn)用瓦特天平（Watt Balance）設(shè)備，每一路都還至少要有3種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法，確保達(dá)成一致。 這項(xiàng)工作非常復(fù)雜，成本又高，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、意大利、日本等地的眾多實(shí)驗(yàn)室決定共同承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。 直到2014年年底，各國(guó)團(tuán)隊(duì)才實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的匹配。與此同時(shí)，他們將試驗(yàn)結(jié)果的不確定性縮小到規(guī)定水平以內(nèi)，做出了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。 一周前，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)探討了一組草案，在2018年國(guó)際計(jì)量大會(huì)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(yùn)，“我們會(huì)保留著它。”國(guó)際計(jì)量局質(zhì)量工作組前負(fù)責(zé)人理查德·戴維斯說，“只是它不會(huì)再定義任何事情。” 以物理常數(shù)來重新定義，不在于讓千克變得精確，但是會(huì)大大增強(qiáng)它的穩(wěn)定性。也就是說，對(duì)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(zhǔn)確和穩(wěn)定。 還是網(wǎng)友看得清：“大家在乎體重，說白了不是在乎數(shù)字本身的多少，即使重新定義了質(zhì)量，也無法改變你就是坨肉球的事實(shí)。”
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