这个圆柱体是国际千克原器（IPK）的精确复制品，存放在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究院。美国所有重量校准都以这个特定复本为基础。
摄影：ROBERT RATHE
撰文：MAYA WEI-HAAS
在法国塞夫尔的国际度量衡局内部，有一个闪闪发光的金属圆柱体，它被安置在恒温的地下室，外面有三组嵌套玻璃钟罩。这个铂铱合金的大个子被称为“大K”，在过去一百多年里，从浴室里的体重秤到医学实验室的天平，全球的重量都以它为参照。
不过，这即将成为历史。
11月16日，在法国凡尔赛举行的第26届国际度量衡大会上，来自60多个国家的代表投票决定重新定义千克。从今以后，这个单位将不再以实物为基准，而以物理学中的基本因素，即普朗克常数为基准。这个数值极小，小数点后有33个0，描述的是光子（光的基本粒子）的行为，从摇曳的烛光到天空中闪烁的星星都存在光子。
“这个基本常数是宇宙结构的一部分，”美国国家标准与技术研究院团队的负责人Stephan Schlamminger说道。他和一群国际科学家合作，为重新定义千克精确测量了普朗克常数。最重要的是，这个值将永远保持不变，不受地点的影响。
质量变化
千克是国际单位制的七个标准单位之一，定义了其他所有度量。（另外六个标准单位是米、秒、摩尔、安培、开尔文和坎德拉。）我们很容易忽略这些标准单位的重要性，但它们却是整个宇宙的基础。制造业的稳定性、商业、科学创新等都有赖于这七个标准单位。
Schlamminger告诉我们，米制（后成为国际单位制），最早诞生于18世纪末，目的是“无论何时，为所有人”进行测量，简化日常的生活。当时，进入另一个城镇意味着可能需要学习一套完全不同的测量体系。
国际度量衡局已退休研究的物理学家Richard Davis解释说，早期很多米制单位都是以自然界的事物为基础。（国际度量衡局负责一切与测量相关的事物。）但后来，人们发现这根本不实用。比如，1米最初的定义为通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点的距离的千万分之一；1千克即1升蒸馏水在冰点时的重量。
Davis说：“人们没有技术来传承。”因此，1799年6月，两个纯白金的标准原器问世，一根1米的量杆和一个1千克的圆柱体，这也标志着十进制米制系统的诞生。为了保证稳定性，1889年，人们用铂铱合金重新铸造了原器，并锁了起来。
依靠实物也有问题。Schlamminger说：“实物不是永恒的。”咖啡杯会碎，衣服会撕裂，管道会生锈。更重要的是，这些实物被锁在地下室里，显然不是“所有人都能用到”。
在那之后，这些实物一个个地被基本常数所取代，千克是最后一个。
原器也减肥？
除了很难接触到之外，大K圆满完成了任务。科学家们铸造了一系列复本，方便全世界的研究人员使用。近130年里，大K只被从地下室拿出来3次，和复本做对比。
但是随着每一次比较，科学家们越来越担心：大K似乎“减肥”了。
和复本相比，这个小圆柱体渐渐地越来越轻，而那些复本则越来越重。这种说法其实不太对，因为根据定义，大K应该是精确的1千克。即便被锉刀刮掉一个角，大K仍应该是1千克，而全世界的数值则要随之调整。
大K的质量和那些复本总计相差约50微克，差不多是一粒盐的质量。虽然这看个数字看上去不是很大，但会对医学等要求精密的领域产生巨大影响。更何况，这不仅仅和物体的质量有关，也会影响与质量有关的其他单位，比如牛顿。
原因为何
为了解决质量减少的问题，2011年国际度量衡大会一致通过了一项决议：根据“自然的不变量”，重新定义千克和其他三个单位（安培、开尔文和摩尔）。自那之后，全世界的科学家开始比赛看谁能先找到解决办法。
两种不同的方法应运而生，它们都和普朗克常数有关。第一种方法基于基布尔天平（Kibble balance）。这有点像传统杠杆秤，本质上是一根梁，两边各有一个托盘。称重时，把已知质量的物体放在一边，待称量的物体放在另一边。在重力的作用下，我们可以根据已知质量得到待称量物体的质量。
但基布尔天平有所不同，其中一个托盘被被磁场中的线圈所取代；而且这种天平所依赖的不是重力，而是电磁力。通过对比质量和电磁力，科学家能够精确测量普朗克常数。
第二个方法则基于另一种发光物体：完美的硅-28晶体球。这里要用到阿伏伽德罗常数，1摩尔的原子数量约为602,214,000,000,000,000,000,000个。通过统计硅球里的原子数量，科学家可以极度准确地得出阿伏伽德罗常数，再转换成普朗克常数。
最后得出的普朗克常数小到不可思议：0.000000000000000000000000000000000662607015平方米每秒。
尘埃落定
Schlamminger表示，借助这两种新方法，科学家们现在可以测定1千克，不确定性为1亿分之一，相当于一根眼睫毛四分之一的重量。“这就是科学，没有什么所谓的完美。总会有随机因素，总会有一点点差异。我们要考虑的是，这样足够好吗？”11月16日的全票通过意味着，这样已经很好了。
新的单位体系将于2019年5月20日正式生效。Davis说：“那一天，我们的日常生活不会有任何变化。”但不管怎样，地球上的每一个秤都与国际千克标准有关。我们一如既往地在厨房称面粉，但对于汽车零件制造、新药开发、科学仪器制作等而言，新标准将带来巨大的变化。
11月16日的投票之所以举世瞩目，不仅因为这些测量的精度极高，也因为这项工作背后的国际合作。代表们一致通过新定义之后，法国科学院院长Sébastien Candel总结道：“我希望世界上的其他许多问题也可以这样解决。”
(译者：Sky4）
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