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2015-10-28 09:00 上傳
國際千克原器 天氣轉(zhuǎn)寒，正是重食補、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(tǒng)，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(zhì)量基本單位的新方法。物理常數(shù)普朗克常量將會接替現(xiàn)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(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！科學家們?yōu)橹量鄪^斗數(shù)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(zhì)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(zhì)量——在這個世界上，對任何物體的質(zhì)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(zhì)量的基本單位“千克”定義為：“等于國際千克原器的質(zhì)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(zhì)量界主君，住進位于巴黎郊區(qū)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(zhì)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(zhì)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(shù)月的嚴格檢查，以確定誤差和穩(wěn)定性。待它們返回后，這樣的校正傳遞會一直抵達基層，確保國內(nèi)稱重儀器的準確和統(tǒng)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(tǒng)，大K不必御駕親臨，就可以把整個世界的稱重系統(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(chǎn)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?yōu)榇驥的安全操碎了心。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(zhì)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(wěn)地待在原地。 人們的關(guān)懷備至只有一個要求——哪怕滄海變桑田，你能“磐石無轉(zhuǎn)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(zhì)量主君100年后，科學家們失望地發(fā)現(xiàn)，比起復制品的平均質(zhì)量，大K的體重減少了近50微克（μg）。 “奇怪之處在于，這些復制品的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(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使它們的質(zhì)量發(fā)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(zhì)量單位的國際千克原器大K因表面遭污染而增重數(shù)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(lǐng)研究小組借助X射線光譜學成像技術(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，汞污染物則來自實驗室內(nèi)偶爾打破的水銀溫度計和水銀氣壓計。 無論大K的質(zhì)量到底是增是減，有一點是確定的，那就是“千克并不穩(wěn)定”，美國國家標準與技術(shù)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(fā)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(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)習慣了科學技術(shù)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(jīng)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(tǒng)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(jīng)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(shù)基礎(chǔ)上的質(zhì)量單位定義，將不隨時間、空間和復現(xiàn)的方法而變化，是計量科學發(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(zhì)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(guān)聯(lián)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(zhì)量系統(tǒng)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(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(shù)的角度表達千克。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設(shè)定普朗克數(shù)值，然后用這一數(shù)值定義千克。 國際計量局質(zhì)量及相關(guān)量咨詢委員會對此提出了包括試驗方法和試驗結(jié)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(shù)來轉(zhuǎn)換為普朗克常數(shù)，一路則運用瓦特天平（Watt Balance）設(shè)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(xiàn)了數(shù)據(jù)的匹配。與此同時，他們將試驗結(jié)果的不確定性縮小到規(guī)定水平以內(nèi)，做出了滿足這些標準的結(jié)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(zhì)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(shù)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(wěn)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(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。”
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