自1889年以來(lái)，全世界的千克定義基準(zhǔn)都是保存在巴黎秘密地下室內(nèi)的一個(gè)鉑-銥合金圓柱體。這是最后一個(gè)仍依賴于物理實(shí)體的測(cè)量單位。但千克之源本身的質(zhì)量正在變小，這促使國(guó)際度量衡大會(huì)于2011年決定將千克和量子力學(xué)常數(shù)掛鉤，進(jìn)行重新定義。重新定義過(guò)程涉及自然科學(xué)界最為復(fù)雜困難的測(cè)量，在2017年，這些工作已經(jīng)進(jìn)入了最后階段。
　　蒂姆·福爾杰（Tim Folger）
　　科學(xué)作家，經(jīng)常為美國(guó)《國(guó)家地理》、《發(fā)現(xiàn)》和其他刊物撰寫(xiě)文章。曾獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)科學(xué)寫(xiě)作獎(jiǎng)。他還是《美國(guó)最佳科學(xué)和自然作品選》編輯，該選集由Houghton Mifflin Harcourt逐年出版。

圖1 K20是美國(guó)國(guó)家千克原器，目前正在法國(guó)巴黎用國(guó)際千克原器進(jìn)行校準(zhǔn)。

2016年4月的一個(gè)下午，走向華盛頓杜勒斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)安檢處的喬恩·普拉特(Jon Pratt)有些心神不寧。他的相機(jī)包里塞了四個(gè)金屬圓柱體，鐵定會(huì)被警惕的美國(guó)國(guó)土安全部交通安全管理局的檢查員們翻來(lái)覆去查個(gè)夠。這些圓柱體每個(gè)都剛好重1千克，其中銀光閃閃的那個(gè)由鉑-銥合金制成，價(jià)值超過(guò)4萬(wàn)美元(鉑目前的價(jià)格在每金衡盎司1000美元上下浮動(dòng)，金衡盎司是一種稱量貴金屬的常用單位，等于31.1034768 克)，其他三個(gè)則是由不銹鋼精心制作而成。

普拉特的任務(wù)是，將這些圓柱體安全地交給在巴黎郊區(qū)的同事，而且不能讓任何人觸碰到它們。

普拉特持有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，簡(jiǎn)稱NIST）的法律文件，意在幫他通過(guò)安檢。這些文件說(shuō)明他攜帶了四個(gè)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)千克原器，即全美國(guó)質(zhì)量稱量的參照基準(zhǔn)，而且特別聲明這些千克原器不應(yīng)被觸碰也不能從保護(hù)容器中取出。

身材修長(zhǎng)的普拉特曾是個(gè)朋克搖滾樂(lè)手，現(xiàn)在他管理著NIST設(shè)在馬里蘭州蓋瑟斯堡的量子測(cè)量分部。“交通安全管理局的那家伙一開(kāi)始折騰了我一番，”普拉特說(shuō)，“但接著他讀了所有書(shū)面文件，這個(gè)很酷的東西讓他開(kāi)心不已。”幾分鐘之后，被放行的普拉特就登上了航班，開(kāi)始了7小時(shí)的巴黎之旅。但接著難題又來(lái)了，如果他需要起身離開(kāi)座位，那該把這價(jià)值連城的包放哪呢，要像同事此前建議的那樣，無(wú)時(shí)無(wú)刻包不離身嗎？“我承認(rèn)我去洗手間時(shí)把包塞在前面的座椅下了，”普拉特繼續(xù)回憶，“所以有那么一小會(huì)我沒(méi)盯著它，也許已經(jīng)有人開(kāi)打包把這些千克原器統(tǒng)統(tǒng)摸過(guò)一番了。”

此前，他們已經(jīng)花費(fèi)數(shù)月之久，將這些千克原器的質(zhì)量準(zhǔn)確測(cè)量到只有百萬(wàn)分之幾的誤差，現(xiàn)在任何觸碰都會(huì)使這些努力付之東流。普拉特將前往賽弗爾，一座與巴黎隔著塞納河相望的小城，把這些圓柱體送到位于該城的國(guó)際計(jì)量局(International Bureau of Weights and Measures，BIPM)。幾個(gè)月后，計(jì)量專家會(huì)在那里，拿它們以及來(lái)自其他三個(gè)國(guó)家的、一模一樣的圓柱體，與德國(guó)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室制作的高純度硅千克球進(jìn)行比較。這是全世界質(zhì)量測(cè)量方式歷史性轉(zhuǎn)變的最后一步。

自1889年，埃菲爾鐵塔建成的那一年起，千克就一直是用保存在國(guó)際計(jì)量局總部地下室，罩有三層玻璃鐘罩的鉑-銥合金圓柱體定義的。這個(gè)所謂的國(guó)際千克原器(The International Prototype Kilogram)，簡(jiǎn)稱IPK或大K(Le Grand K)，是所有國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之源。在所有基本單位中，千克最為特殊，它是最后一個(gè)還依賴物理實(shí)體進(jìn)行定義的單位，但歷史即將翻開(kāi)新的篇章。到2018年底，國(guó)際千克原器將被棄用，千克將會(huì)基于普朗克常數(shù)重新定義，后者是來(lái)自量子物理的一個(gè)常數(shù)，與單個(gè)光量子或者說(shuō)光子所攜帶的能量有關(guān)。

為何要拋棄國(guó)際千克原器?雖然多年來(lái)計(jì)量專家一直想用某個(gè)宇宙基本常數(shù)取代這一坨小心翼翼從維多利亞時(shí)代(通常被定義為1837年-1901年)保存下來(lái)的金屬，從而提高國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和可靠程度，但還有更迫切的原因促使人們做出改變:大K的質(zhì)量似乎一直在減輕。大概每隔30年，計(jì)量專家都會(huì)從地下室取出大K，進(jìn)行清潔，并與其他六個(gè)官方副本進(jìn)行比較，后者又被稱為temoins，意為“證人”，它們也保存在同一地下室內(nèi)。1889年，頭兩個(gè)副本與大K進(jìn)行比較時(shí)，質(zhì)量都與其相符。但第二次世界大戰(zhàn)之后和1992年的兩次測(cè)量都顯示副本比大K略重。很明顯，國(guó)際千克原器的質(zhì)量不變而兩個(gè)副本的質(zhì)量都同時(shí)增加的可能性很低，因此一個(gè)更為可能的解釋是，“我們可以認(rèn)為是國(guó)際千克原器在丟失質(zhì)量，”國(guó)際計(jì)量局物理計(jì)量部門主任米歇爾·斯托克(Michael Stock)說(shuō)。由此帶來(lái)的不確定性也正是國(guó)際度量衡大會(huì)(國(guó)際計(jì)量局的管理機(jī)構(gòu))于2011年決定建立新質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)因。

沒(méi)人知曉為何大K會(huì)丟失質(zhì)量，它金貴到了不能接受任何測(cè)試的程度，所以沒(méi)法弄清楚原因。這個(gè)疑案導(dǎo)致了一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，隨著過(guò)去幾十年的技術(shù)進(jìn)步，在分子水平上對(duì)質(zhì)量的精確測(cè)量已成為工業(yè)領(lǐng)域的家常便飯。“在測(cè)量微克級(jí)別物體的質(zhì)量時(shí)，我們會(huì)想要精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，”普拉特解釋道，“但如果用人造千克原器作為標(biāo)準(zhǔn)的話，在小尺度上誤差就會(huì)非常大。”

大K的缺點(diǎn)不僅限制了對(duì)質(zhì)量的測(cè)量。力和能量的單位歸根結(jié)底也都是根據(jù)它定義，因此，“國(guó)際千克原器的變化甚至?xí)?dǎo)致基本常數(shù)的變化，”斯托克評(píng)論到，“這太荒唐了。”

圖2 計(jì)量學(xué)家斯蒂芬·施拉米格和喬恩·普拉特

新標(biāo)準(zhǔn)

千克是國(guó)際單位制的7個(gè)基本單位中最近一個(gè)被更新的，但絕不是最后一個(gè)。國(guó)際單位制(International System of Units)，簡(jiǎn)稱SI，基本單位還包括:米、安培(電流單位)、秒、坎德拉(光源的內(nèi)稟亮度單位)、摩爾(把物質(zhì)的質(zhì)量與構(gòu)成該物質(zhì)的原子數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái))和開(kāi)爾文(溫度單位)。

上述7個(gè)單位中，有兩個(gè)已經(jīng)在幾十年前重新定義過(guò)了。1983年，米的定義由一根與大K保存在同一處的鉑-銥合金棒上兩條刻度線的間距，改為光在1/299 792 458秒內(nèi)傳播的距離。而隨著20世紀(jì)60年代高精度原子鐘的出現(xiàn)，秒的定義也從一天的若干分之一，修改成了以銫原子發(fā)出的微波輻射的某個(gè)特定頻率為基準(zhǔn)。按照計(jì)劃，摩爾、開(kāi)爾文和安培的定義也都將于2018年進(jìn)行全面修訂。

安培目前的狀況特別奇怪，它的標(biāo)準(zhǔn)定義需要兩根無(wú)限長(zhǎng)的一維無(wú)質(zhì)量導(dǎo)線，如此理想的情況完全無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。這種狀況到2018年就會(huì)改變，屆時(shí)將改用電子電荷定義安培。這完全得益于納米器件的發(fā)展，讓我們有能力對(duì)導(dǎo)線中流動(dòng)的電荷進(jìn)行逐一計(jì)數(shù)。

“如果放眼下一次更新，其中也許會(huì)包括基于量子力學(xué)定義的坎德拉，還有用光學(xué)而非微波定義的秒，”加拿大首席計(jì)量學(xué)家阿蘭·斯蒂爾(Alan Steele)猜測(cè)，“但這起碼都是15年之后的事了，說(shuō)不定還要更久。”

計(jì)量學(xué)家在努力制定一套不受狹隘的地球觀念束縛、真正普適的測(cè)量系統(tǒng)，在這個(gè)過(guò)程中，千克的重新定義處于中心地位。原則上，新的單位將對(duì)宇宙中任何地方的智慧生物都適用，無(wú)論在地球上還是在仙女星系之中。對(duì)計(jì)量學(xué)家而言，這是最好的時(shí)代。斯蒂爾說(shuō):“這是一生一次的機(jī)會(huì)。上一次我們這樣觸及根本還是在重新定義米的時(shí)候。要我說(shuō)，眼下是首席計(jì)量學(xué)家的黃金時(shí)代。這當(dāng)然不像保衛(wèi)世界和平之類的那么偉大，但已經(jīng)非常美妙了?！?

地下密室

大K并非第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)千克原器。它的前任制作于法國(guó)大革命期間，與公制(即米制)一同誕生。在大革命之前，幾乎全法國(guó)的重量和長(zhǎng)度測(cè)量都以地方習(xí)慣為準(zhǔn)，十里不同尺，隔鎮(zhèn)不同權(quán)，全國(guó)充斥著超過(guò)700種不同測(cè)量單位。例如，toise等價(jià)于英國(guó)的尋(fathom)，即一個(gè)成年男子平伸兩臂所張開(kāi)的距離。但是巴黎的toise(等于72 pouces)可能就跟馬賽所用的不同。當(dāng)時(shí)法國(guó)人所稱的智者(Savant)，也即科學(xué)家們，開(kāi)始創(chuàng)造一套新的系統(tǒng)來(lái)結(jié)束這種混亂，正如當(dāng)時(shí)一塊銘牌上所記載的那樣，它應(yīng)當(dāng)“適用于萬(wàn)民萬(wàn)世”。

“1791年時(shí)，科學(xué)家的想法是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)基于自然和不變的現(xiàn)象。”理查德·戴維斯(Richard Davis)說(shuō)道，他是國(guó)際計(jì)量局質(zhì)量分部前主任，大K正由該分部保管。“我們?nèi)栽谶@么做，”他說(shuō)。區(qū)別是，今天的計(jì)量學(xué)家要利用真正不變的自然常數(shù)。

說(shuō)這話的時(shí)候，我們正坐在斯托克的辦公室里。這間屋子在布勒特伊宮內(nèi)，這是一座建造于17世紀(jì)的優(yōu)雅建筑，坐落在圣克盧國(guó)家公園一座俯瞰塞納河的碧綠山丘之上，此處曾一度是法國(guó)皇室狩獵保留地，瑪麗王后(Marie Antoinette)的玫瑰園至今還被細(xì)心照料著。自1875年17個(gè)國(guó)家簽訂米制公約(Meter Convention)以來(lái)，布勒特伊宮一直都是國(guó)際計(jì)量局的總部所在。

“你早晨從橋上來(lái)賽弗爾時(shí)，注意到左手邊的那個(gè)小島了嗎?”戴維斯問(wèn)道。他接著介紹說(shuō)，在二戰(zhàn)期間，這個(gè)小島上曾有間為德軍生產(chǎn)坦克的雷諾工廠，美國(guó)人對(duì)它進(jìn)行了持續(xù)轟炸，在其中一枚炸彈撼動(dòng)了布勒特伊宮之后，大K被放進(jìn)了一個(gè)特制的防震箱中。盡管“證人”們?cè)诖髴?zhàn)之初就已經(jīng)被疏散到法國(guó)銀行的地下金庫(kù)中，但米制公約規(guī)定，大K必須保存在國(guó)際計(jì)量局總部。

戰(zhàn)后的1946年，人們把大K從地下室取出進(jìn)行清潔，并與六個(gè)副本比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，它比副本輕了30微克。45年之后再次清潔時(shí)，上述質(zhì)量差增至50微克，大約有一片蒼蠅翅膀那么重。

“50微克的變化，歷時(shí)一個(gè)世紀(jì)，”斯托克一邊給我們看他辦公室電腦上的質(zhì)量變化圖，一邊感嘆道，“你能看出變化有多細(xì)微。”按照他的說(shuō)法，這樣的質(zhì)量差異目前不會(huì)帶來(lái)任何實(shí)際問(wèn)題，“但如果繼續(xù)下去，遲早會(huì)有麻煩。”

在納米技術(shù)領(lǐng)域，50微克可以說(shuō)重于泰山了。不僅如此，千克質(zhì)量的不確定性會(huì)波及一連串基本常數(shù):公制中力的單位牛頓，定義中就包含千克，而牛頓則進(jìn)一步定義了焦耳——能量的單位，焦耳又定義了瓦特，如此這般牽連不絕。最終任何一個(gè)小問(wèn)題都將撼動(dòng)我們對(duì)幾乎整個(gè)物理世界的測(cè)量。

清潔大K并用副本校準(zhǔn)并不是常規(guī)任務(wù)，畢竟自1889年至今也僅有四次。首先大K需要被從地下室取出，這需要三人同時(shí)在場(chǎng)，自上而下依次打開(kāi)地下室門上的三把鎖，在地下室內(nèi)是一個(gè)配有密碼鎖的大型保險(xiǎn)柜，里面就是安坐在三重鐘形玻璃罩下的大K。保險(xiǎn)柜里還同時(shí)存有六個(gè)副本。世界上只有三個(gè)人有地下室的鑰匙:國(guó)際計(jì)量局主任、巴黎國(guó)家檔案館主任，還有國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)主席，他是國(guó)際計(jì)量局的監(jiān)管者。由于三把鑰匙都不相同，所以開(kāi)啟地下室需要三人同時(shí)在場(chǎng)。

“米制公約1875年簽訂以來(lái)，我是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)選出的第二位非歐洲人主席，”來(lái)自澳大利亞的工程師巴里·英格利斯(Barry Inglis)介紹說(shuō)，“我曾經(jīng)問(wèn)過(guò)，如果我回家途中飛機(jī)掉到印度洋里去了，他們?cè)撛趺崔k，不過(guò)我相信應(yīng)該有鎖匠略施小計(jì)就能把那把舊鎖打開(kāi)。”

國(guó)際計(jì)量局的大多數(shù)工作人員都無(wú)緣得見(jiàn)大K，而且謠傳它的官方照片實(shí)際上并非本尊。“我見(jiàn)過(guò)一次。”從1987年就開(kāi)始在這里工作的蘇珊·皮卡爾(Susanne Picard)說(shuō)。三把鑰匙的保管者每年打開(kāi)一次地下室檢查大K，但不會(huì)碰它，只是確保它還完好無(wú)損地待在那。

在進(jìn)入了放置大K的圣所之后，一位技術(shù)人員會(huì)用麂皮包覆的鉗子夾起那個(gè)閃亮的圓柱，移送到清潔臺(tái)上，然后用蘸了酒精和乙醚的軟麂皮擦拭，接著用經(jīng)過(guò)兩次蒸餾的純水沖洗，最后用氮?dú)獯蹈伤袣埩舻乃?。整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約一小時(shí)。國(guó)際計(jì)量局在測(cè)試樣品上嘗試過(guò)各種清潔方法，比如用紫外線照射，但這些方法實(shí)際上會(huì)讓合金變得過(guò)于干凈。“那些方法看似能比我們的方法清除更多的灰塵，但太干凈會(huì)增強(qiáng)金屬表面的反應(yīng)活性，從而使質(zhì)量變得不穩(wěn)定。”斯托克解釋說(shuō)。這會(huì)使得大K作為標(biāo)準(zhǔn)的可靠性降低，所以國(guó)際計(jì)量局仍保留了傳統(tǒng)的麂皮擦拭和水浴法。

沐浴之后，大K和“證人”們會(huì)被送至一間潔凈的房間，放在一臺(tái)名為質(zhì)量比較儀的設(shè)備上，這臺(tái)價(jià)值50萬(wàn)美元的裝置能測(cè)量出低至1微克的質(zhì)量差。質(zhì)量比較儀加上10個(gè)所謂的工作標(biāo)準(zhǔn)千克是國(guó)際計(jì)量局質(zhì)量分部的“全勤員工”，它們用于絕大多數(shù)日常校準(zhǔn)，而大K及其副本幾十年才出馬一次，為各國(guó)校準(zhǔn)國(guó)家千克原器。

在與戴維斯和斯托克交談的尾聲，知道自己絕無(wú)可能一睹大K圣顏的我問(wèn)他們能否在門外看一眼地下室。他們立刻大笑起來(lái)，頭搖得像撥浪鼓:“不行，不行，不行，不行!”

“你不是第一個(gè)這么問(wèn)的，”戴維斯說(shuō)道。

“那它確實(shí)就藏在此處吧?”我還不死心。

“當(dāng)然，”戴維斯安慰我道，“眾所周知。”

高難度測(cè)量

很快大K就只有歷史意義了，新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)普朗克常數(shù)重新定義千克。普朗克常數(shù)包含能量和時(shí)間單位，運(yùn)用質(zhì)能方程E = mc ² 就可以用質(zhì)量來(lái)表示它。像萬(wàn)有引力常數(shù)G一樣，普朗克常數(shù)雖源自理論，但其數(shù)值只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，而且隨著儀器的不斷改進(jìn)，我們對(duì)自然常數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度也在不斷提高。

為了完成向量子標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變，國(guó)際計(jì)量局采取了兩步走的戰(zhàn)略。首先，5個(gè)國(guó)家的國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室會(huì)確定普朗克常數(shù)的一個(gè)準(zhǔn)確數(shù)值，并以該數(shù)值為單位測(cè)量各自國(guó)家的千克原器，比較測(cè)量結(jié)果。這項(xiàng)測(cè)試已于2016年秋天完成。假設(shè)預(yù)計(jì)于2017年年初得到的結(jié)果令人滿意，實(shí)驗(yàn)參與者將逆向操作，用各自國(guó)家的千克原器對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，所得新的普朗克常數(shù)將最終用于重新定義千克。

上述大部分工作都需要使用一種名為基布爾秤(Kibble balance)的極為復(fù)雜的裝置?；紶柍哟饲坝直环Q為瓦特秤(Watt balance)，為了紀(jì)念2016年去世的該裝置的發(fā)明者——英國(guó)物理學(xué)家布賴恩·基布爾(Bryan Kibble)，計(jì)量學(xué)家決定重新為其命名。 基布爾秤實(shí)驗(yàn)非常難做，以至于2012年 《自然》 (Nature)將其列為物理學(xué)界正在進(jìn)行的最困難的五個(gè)實(shí)驗(yàn)之一，位列尋找希格斯玻色子和探測(cè)引力波之后。

圖3 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院編號(hào)為NIST-4的基布爾秤

2016年5月的一天，NIST的斯蒂芬·施拉米格(Stephan Schlamminger)開(kāi)車把我?guī)У窖芯克囊粭潈蓪有乔?，這棟樓位于占地235公頃綠意盎然的園區(qū)邊緣，里面放著NIST兩臺(tái)基布爾秤中較老的那臺(tái)，自從2014年新的那臺(tái)建成后，它基本上就處于閑置狀態(tài)。“這里有些像草原小屋。”施拉米格一邊停車一邊打趣。此前NIST大多數(shù)普朗克常數(shù)的測(cè)量都是在這里進(jìn)行的，新的那臺(tái)將接手它的工作。

一進(jìn)門，所有鄉(xiāng)村氣息頓時(shí)消失不見(jiàn)。房間里的景象猶如蒸汽朋克小說(shuō)的插圖，墻壁全由銅包裹起來(lái)，一直延伸到二樓天花板。“再看看這些設(shè)備，”施拉米格提醒我，“全是黃銅做的，沒(méi)有一點(diǎn)鐵。”銅和黃銅將室外磁場(chǎng)完全屏蔽，保證室內(nèi)儀器不受干擾。但室內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)其實(shí)強(qiáng)到可以將你身上的磁卡消磁，在一樓一個(gè)房間正中立著一臺(tái)高大的支撐架，底部是一塊超導(dǎo)電磁鐵，運(yùn)行時(shí)通過(guò)液氦進(jìn)行冷卻。

基布爾秤的關(guān)鍵部分位于二樓，一個(gè)半米直徑的鋁輪豎直挺立，秤盤由金屬線懸掛在輪緣兩側(cè)。測(cè)量時(shí)，一個(gè)秤盤上承放1千克質(zhì)量，盤下用三根4米長(zhǎng)的絕緣棒懸掛著一個(gè)線圈，另一邊的秤盤上則放著配重和一個(gè)電動(dòng)機(jī)。要想獲得將質(zhì)量和普朗克常數(shù)聯(lián)系起來(lái)的方程中的所有數(shù)值，基布爾秤需要在兩種不同的工作模式間切換。在“稱量模式”中，測(cè)試質(zhì)量所受的引力被下面懸掛線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全抵消。而在“速度模式”中，測(cè)試質(zhì)量被移除，懸掛線圈被另一個(gè)秤盤中的電動(dòng)機(jī)向上牽引，在底部超導(dǎo)電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中勻速上升，進(jìn)而在線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓。

稱量模式中測(cè)出的勵(lì)磁電流和速度模式中測(cè)出的感應(yīng)電壓最終被代入將電流、電壓以及電阻和普朗克常數(shù)聯(lián)系起來(lái)的量子力學(xué)方程中。簡(jiǎn)而言之，從1千克質(zhì)量出發(fā)，基布爾秤最終可以確定一個(gè)普朗克常數(shù)。有了這個(gè)準(zhǔn)確的普朗克常數(shù)，就可以用基布爾秤來(lái)稱量質(zhì)量，無(wú)需再借助任何物理實(shí)體。

為了獲得精確的測(cè)量結(jié)果，施拉米格及其同事需要考慮當(dāng)?shù)貧鈮汉鸵Φ牟▌?dòng)。地軸進(jìn)動(dòng)和潮汐的影響也必須考慮進(jìn)來(lái)。“如果你忽略潮汐的影響，”施拉米格解釋道，“就會(huì)產(chǎn)生大約百萬(wàn)分之0.1的誤差。”拋開(kāi)其復(fù)雜程度，在施拉米格眼中，這臺(tái)儀器像是來(lái)自過(guò)去某個(gè)時(shí)代，他帶領(lǐng)小組測(cè)量普朗克常數(shù)時(shí)，一個(gè)個(gè)閥門按照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捻樞蛞来未蜷_(kāi)和關(guān)閉，充滿液氦的容器內(nèi)的壓力也需要時(shí)刻監(jiān)控，“你會(huì)感覺(jué)像是在驅(qū)動(dòng)一臺(tái)蒸汽機(jī)，”施拉米格繼續(xù)說(shuō)道，“但其實(shí)你是在進(jìn)行量子力學(xué)測(cè)量!”

 

圖4  德國(guó)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室制作的高純度硅千克球，要拿來(lái)和幾個(gè)國(guó)家的千克原器進(jìn)行比較。

再見(jiàn)了，大K

后繼發(fā)展則取決于2016年測(cè)試的結(jié)果。5個(gè)參與國(guó)的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室必須要有3個(gè)實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果相差在50微克之內(nèi)——也就是目前大K質(zhì)量的不確定度。先期研究結(jié)果公布之后，重新定義工作才會(huì)正式進(jìn)行。

如果一切順利，千克將會(huì)由普朗克常數(shù)定義。國(guó)際計(jì)量局已經(jīng)為重新定義立下了嚴(yán)格的規(guī)矩:不僅所有普朗克常數(shù)的測(cè)量結(jié)果之間相差必須小于億分之五，而且至少有一個(gè)結(jié)果的誤差必須小于億分之二。加拿大國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到了后一個(gè)要求。要想讓新的定義在2018年生效，那么所有新的普朗克常數(shù)測(cè)量結(jié)果必須在2017年7月1日之前公開(kāi)發(fā)表。

屆時(shí)大K將何去何從?它將繼續(xù)保存在現(xiàn)在的地下室內(nèi)?？紤]到基布爾秤的復(fù)雜程度，我們可能還需繼續(xù)仰仗千克原器。世界各國(guó)的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室不會(huì)經(jīng)常進(jìn)行艱難的基布爾秤測(cè)量，在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)它們還是會(huì)采用新的一批千克原器進(jìn)行日常校準(zhǔn)工作。新的千克原器已經(jīng)在國(guó)際計(jì)量局進(jìn)行制作，但它們將會(huì)用基布爾秤來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，而不是用大K。

故事結(jié)束了嗎?我們現(xiàn)在是否有了一個(gè)適用于“萬(wàn)民萬(wàn)世”的千克標(biāo)準(zhǔn)?斯多克對(duì)此持保留態(tài)度。

“在我之前的一位主任，諾貝爾獎(jiǎng)得主夏爾·愛(ài)德華·紀(jì)堯姆(Charles édouard Guillaume)認(rèn)為目前的千克定義可以用1萬(wàn)年，”斯多克說(shuō)，“這顯然過(guò)于樂(lè)觀了。我不確定這會(huì)不會(huì)是最后一次重新定義千克，但新定義應(yīng)該足以用上一段時(shí)間，不過(guò)或許撐不了1萬(wàn)年。”