替换千克的竞赛

去年四月的一个下午，当乔恩·普拉特走向华盛顿杜勒斯国际机场的安检站时，他感到有些紧张。他的相机包里塞着四个实心金属圆柱体，这些物体肯定会引起警惕的国土安全部 TSA 工作人员的仔细检查。每个圆柱体的重量都正好是一千克。其中一个——一个闪闪发光的铂铱合金，大约只有金枪鱼罐头的一半大小——价值至少 40,000 美元。（铂金的价格目前徘徊在每金衡盎司 1,000 美元左右，金衡盎司是贵金属的常用单位。）另外三个由精密加工的不锈钢组成。

普拉特的任务：安全地——并且毫发无损地——将它们送到巴黎郊区的一位同事手中。

普拉特持有国家标准与技术研究院的文件，旨在帮助他顺利通过安检。文件解释说，他携带了四个官方的美国千克——作为该国所有重量测量的基础的参考质量——并特别说明这些千克不应被触摸或从其保护罐中取出。

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身材苗条、以前是朋克摇滚乐手的普拉特负责管理位于马里兰州盖瑟斯堡的 NIST 量子测量部门。“TSA 的工作人员有点为难我，”他说。“但是后来他读了所有的文件，这变成了一件很酷的事情，让他的一天都变得美好起来。” 几分钟后，普拉特挥手通过安检，登上了前往巴黎的七小时航班，这又带来了另一个难题：如果他需要起身，该如何处理他昂贵的随身行李？ 他应该像一些同事建议的那样，始终将包带在身边吗？ “我承认，当我去洗手间的时候，我把它放在我前面座位的下面，”普拉特说。“所以它短暂地离开了我的视线，可能有人过来并用他们的手在这些千克上乱摸。”

这样的处理会破坏数月来为测量千克而付出的细致工作，这些工作的精度达到了十亿分之几。 普拉特正将这些圆柱体送到位于巴黎塞纳河对岸塞夫勒的国际计量局 (BIPM)。 几个月后，那里的计量学家将把它们与来自其他三个国家的相同金属圆柱体，以及德国国家计量实验室制造的一个高纯度硅一千克球体进行比较。 这是世界质量测量方式历史性转变的最新一步。

自 1889 年，即埃菲尔铁塔开放的同一年以来，千克一直由一个铂铱合金圆柱体的质量定义，该圆柱体保存在 BIPM 总部金库中三个嵌套的玻璃钟形罩下方。 国际千克原器，又名 IPK 或Le Grand K，是原始千克，所有其他国家质量标准都由此衍生而来。 千克是一个例外； 它是最后一个仍然与物理对象相关的测量单位——但这种情况不会持续太久。 到 2018 年底，Le Grand K 将被废黜，千克将有一个基于普朗克常数的新定义，普朗克常数是量子理论中的一个固定量，与单个光粒子或光子携带的能量有关。

为什么要强迫 Le Grand K 退役？ 多年来，计量学家一直希望国际质量标准的准确性和可靠性与宇宙的基本常数联系起来，而不是与维多利亚时代的受呵护金属块联系起来。 但还有一个更紧迫的改变原因：Le Grand K 似乎正在失去质量。 大约每 30 年一次，Le Grand K 会从其金库中取出进行清洁，并与六个官方副本或temoins（“证人”）进行比较，这些副本也保存在同一个金库中。 当最初的两个 temoins 在 1889 年与 Le Grand K 进行比较时，两者都与原件匹配。 但在二战后不久和 1992 年进行的测量发现，这些副本的重量略高于 Le Grand K。 这些副本都以某种方式增加质量，而 Le Grand K 保持不变，这似乎是难以置信的。 当然，还有更合理的解释。 “我们可以假设，”BIPM 主任迈克尔·斯托克说，“国际千克原器正在失去一些质量。” 这种不确定性是国际计量大会——该局的管理机构——在 2011 年决定建立新的质量标准的原因之一。

没有人知道 Le Grand K 为什么会减轻重量。 它太有价值了，无法进行可能提供答案的测试。 这个谜团带来了实际问题。 随着未来几十年技术的进步，分子尺度及以下的质量精确测量将在广泛的行业中变得司空见惯。 “我们希望有办法以至少三位数字的分辨率测量微克质量，”普拉特说。“而对于人工千克，在小尺度上，事情变得非常不确定。”

Le Grand K 的缺点不仅限于质量测量。 力和能量单位最终也来源于它。“我们现在正处于这样的地步，即我们会看到基本常数的值发生变化，因为 IPK 发生了变化，”斯托克说。“这没有任何意义。”

新标准

千克是公制系统中七个基本单位中最新被修订的一个，但它不会是最后一个。 除了千克之外，国际单位制（SI）还包括米、安培（用于电流）、秒、坎德拉（光Intrinsic亮度单位）、摩尔（将物质的重量与其包含的原子数联系起来）和开尔文（用于温度）。

SI 单位中的两个在几十年前就被重新定义了。 1983 年，米，以前是通过刻在与 Le Grand K 保存在同一金库中的固体铂铱合金棒上的两条线之间的距离来测量的，现在变成了光在 1/299,792,458 秒内传播的距离。 随着 20 世纪 60 年代改进的原子钟的出现，秒——以前被定义为一天的某个分数——根据铯原子发射的特定微波辐射频率进行了重置。 摩尔、开尔文和安培也计划在 2018 年进行全面改革。

安培的当前（可以这么说）状态尤其奇怪。 它的官方定义，其中一部分涉及两根无限长、一维、无质量的电线，非常抽象，以至于无法在实验室中复制。 这种情况将在 2018 年发生改变，届时安培将根据电子的电荷重新定义，这一进步得益于纳米技术设备的开发，该设备能够计算通过电路移动的单个带电粒子。

“如果我们展望下一次重新定义，它们可能包括基于量子力学的坎德拉用于光，以及可能用光学定义取代微波定义的秒，”加拿大首席计量学家艾伦·斯蒂尔说。“但这些至少还要 15 年。 也许更长。”

千克的重新定义是创建真正通用的测量系统的努力的核心，该系统不受狭隘的、地球的惯例的束缚。 原则上，新单位对于从这里到仙女座的任何地方的智慧生物都将有意义。 对于计量学家来说，这是一个令人兴奋的时代。 “这是一生一次的事情，”斯蒂尔说。“我们上次尝试如此根本的事情是在重新定义米的时候。 现在是成为首席计量学家的时候，我告诉你。 它不像世界和平之类的，但它非常酷。”

金库

Le Grand K 不是第一个官方千克。 它有一个前身，是在法国大革命期间制造的，当时整个公制系统诞生了。 在革命之前，地方习俗决定了几乎所有法国的重量和长度。 标准因城镇而异，给国家带来了 700 多个不同的计量单位。 例如，toise 相当于英国的 fathom：一个人伸开双臂之间的距离。 但是巴黎的 toise（等于 72 pouces）可能与马赛使用的 toise 不匹配。 法国人当时称他们的科学家为 savants，他们试图通过创建一个“为了所有人，为了所有时代”的新系统来结束混乱，这一座右铭被纪念在一块现代牌匾上。

“他们在 1791 年的想法是，标准应该基于自然且不变的现象，”BIPM 质量部门的退休主管理查德·戴维斯说，该部门负责维护 Le Grand K。“我们仍然在这样做，”他说。 不同之处在于，现在计量学家正在转向真正不变的自然常数。

我们正坐在斯托克在布勒特伊馆的办公室里，这是一座优雅的 17 世纪建筑，位于圣克卢公园塞纳河畔绿意盎然的山顶上，这里曾经是法国国王的皇家狩猎场。 玛丽·安托瓦内特的玫瑰园仍然在这里得到精心照料。 自 1875 年《米制公约》（由 17 个国家签署的条约）以来，这里一直是国际局的总部。

“你注意到今天早上你过桥到塞夫勒时左边的岛屿了吗？” 戴维斯问道。 他说，这个岛屿曾经是雷诺工厂的所在地，该工厂在二战期间为德国军队建造坦克。 美国轰炸机多次以此为目标。 在一次轰炸震动了布勒特伊馆之后，Le Grand K 被放置在一个特殊的防震容器中。 尽管 temoins 在战争的大部分时间里都被疏散到法国银行的一个地下保险库中，但《米制公约》规定 Le Grand K 必须始终留在该局。

点击或轻触放大

当 Le Grand K 在战后于 1946 年从其金库中取出进行清洁并与六个副本进行比较时，发现它比 temoins 轻 30 微克。 到下一次清洁时，即 45 年后，差异增加到 50 微克——相当于苍蝇翅膀的重量。

“五十年微克——超过一个世纪，”当我们查看他办公室电脑上的变化图表时，斯托克说。“你可以看到它非常小。” 他说，就目前而言，这种差异不会带来任何实际困难。“但是如果我们继续这样下去，总有一天这会导致问题。”

在纳米技术领域，50 微克是一个巨大的数字。 此外，千克质量的不确定性将波及到一长串基本单位：力的公制单位——牛顿——是根据千克定义的，而牛顿反过来又定义了焦耳——能量单位——而焦耳又定义了瓦特，等等。 最终，一个小小的问号将玷污几乎所有对物理世界的测量。

清洁和比较 Le Grand K 与测试质量并非例行任务——尤其因为它自 1889 年以来只进行了四次。 首先，必须将 Le Grand K 从其 caveau 或金库中取出，这需要三个人在场才能打开垂直排列的三把锁。 金库内部是一个带有密码锁的大保险箱，里面装着 Le Grand K，它位于三个嵌套的钟形罩下方。 保险箱还存放着六个副本。 世界上只有三个人持有金库钥匙：BIPM 主任、巴黎国家档案馆馆长和国际计量委员会 (CIPM) 主席，该委员会负责监督该局的工作。 因为每把钥匙都不同，所以所有三位官员都必须在场才能打开金库。

“我是自 1875 年《米制公约》以来，被选为 CIPM 主席的第二位欧洲以外的人，”澳大利亚电气工程师巴里·英格利斯说。“我问他们，如果我在印度洋上空飞回家时飞机失事了怎么办：‘你们打算怎么办？’ 但我确信有锁匠可以毫不费力地打开旧锁。”

该局的工作人员很少有人见过 Le Grand K，并且有传言说其官方照片描绘的是替身。 “我见过一次，”自 1987 年以来一直在 BIPM 工作的苏珊娜·皮卡德说。 三位钥匙持有者每年打开一次金库，查看——但不触摸——Le Grand K，以确保它，嗯，仍然在那里。

进入 Le Grand K 的内殿后，一位技术人员用麂皮衬垫钳子拿起闪亮的圆柱体，并将其运送到清洁站，在那里用浸泡过酒精和乙醚的麂皮布擦拭，然后用一股双蒸馏水冲洗。 最后喷洒氮气以去除任何残留的水滴。 整个过程大约需要一个小时。 该局已在测试质量上试验了不同的清洁技术——例如，使用紫外线辐射——但这些方法实际上使合金太干净了。“它们似乎比我们的技术去除了更多的污垢，”斯托克说。“但之后，质量变得不稳定，因为表面太干净了，变得高度活泼。” 这只会使 Le Grand K 作为标准变得更不可靠，因此该局仍然致力于其麂皮擦拭和水冲洗方法。

在洗完澡后，Le Grand K 和 temoins 被带到一个洁净室，并放在一个称为质量比较器的设备上，这是一种价值 50 万美元的仪器，可以测量小至 1 微克的质量差异。 质量比较器和 10 个所谓的标准工作千克是 BIPM 质量部门的主力； 它们用于大多数日常校准，而 Le Grand K 和 temoins 仅每隔几十年才会被取出，用于验证来自不同国家的国家千克原器。

随着与戴维斯和斯托克的谈话接近尾声，我问他们是否可以看看 Le Grand K 所在金库的外部； 我知道没有机会看到那个尊贵的原始圆柱体本身。 他们爆发出笑声，摇着头说：“不，不，不，不！”

“这不是我们第一次被问到，”戴维斯说。

“它就在这片土地上，对吧？” 我问。

“是的，”戴维斯回答说，“这已经是公开的秘密了。”

艰难的测量

很快，Le Grand K 将成为一个历史文物，而新的国际质量定义将基于普朗克常数。 普朗克常数包括能量和时间的单位，可以通过按摩方程 E = mc² 以质量表示。 与引力常数 G 一样，普朗克常数源于理论，但其数值只能通过实验确定。 随着仪器的改进，我们对自然常数的测量正在稳步提高。

为了过渡到新的量子标准，BIPM 设计了一个分为两部分的策略。 首先，五个不同国家的国家计量实验室将确定普朗克常数的数值，根据该值称量其国家千克的重量，然后查看其千克测量值匹配程度如何。 这是该局去年夏天进行的测试。 假设今年年初预期的结果令人满意，研究参与者将反转该过程，并在其国内设施中使用其国家千克来微调其普朗克常数的测量值。 然后，精确的新普朗克常数值将用于永久重新定义千克。

这项工作的大部分将涉及使用一种极其复杂的设备，称为科博天平。 直到去年，科博天平被称为瓦特天平。 计量学家决定在 2016 年其发明者英国物理学家布莱恩·科博去世后将其更名。 科博天平实验非常困难，以至于 2012 年《自然》杂志将其列为物理学中最艰巨的五项任务之一，与探测希格斯玻色子或引力波并驾齐驱。

去年五月的一天，NIST 的斯蒂芬·施拉明格开车送我到研究所 235 公顷树木繁茂的校园边缘的一栋白色两层建筑，该建筑容纳了其较旧的两台科博天平之一，自 2014 年较新型号完成后，它基本上已被封存。 “它就像《草原小屋》，”施拉明格在我们停在孤立的建筑物前时开玩笑说。 NIST 大部分普朗克常数测量都是在这里进行的，新型号的工作方式大致相同。

当我们走进室内时，与农舍的任何相似之处都消失了。 内部看起来像是一部蒸汽朋克小说的场景，墙壁一直到二楼的天花板都覆盖着铜。“看到所有的黄铜硬件了吗？” 施拉明格说。“没有铁。” 铜和黄铜屏蔽了仪器免受外部磁场的影响。 但是建筑物内部产生的磁场足够强大，可以擦除信用卡。 在一楼房间的中央，矗立着一根高高的支撑柱，其底部有一个超导磁体。 运行时，磁体用液氦冷却。

实际的天平机构位于二楼。 它由一个半米宽的铝制轮子垂直安装，天平盘通过电线从两侧悬挂。 在测量期间，一个天平盘装有一千克质量； 线圈悬挂在同一盘的正下方，由三根四米长的杆悬挂。 天平另一侧的盘子装有平衡砝码和电动机。 需要天平的两种不同的操作模式来获取将质量与普朗克常数联系起来的方程中使用的所有值。 在“称重模式”下，测试质量上的向下重力完全被通过悬挂在盘下方的线圈中运行电流产生的磁场抵消。 在“速度模式”下，测试质量从盘中移除，线圈由另一侧盘中的电机以恒定速度在由天平的超导磁体产生的磁场中向上提起，这会在移动线圈中感应出电压。

然后在称重模式下测量的电流和速度模式下感应的电压被代入量子理论的方程中，这些方程将电流、电压和电阻与普朗克常数联系起来。 简而言之，从已知的 1 千克质量开始，科博天平可以确定普朗克常数。 然后，有了普朗克常数的精确值，天平就可以用于测量质量，而无需任何类型的物理文物。

为了获得准确的结果，施拉明格和他的同事需要考虑局部气压和重力的波动。 地轴的岁差也必须包括在内，以及潮汐。 “如果你不校正潮汐，”施拉明格说，“大约有十亿分之一百的误差。” 尽管它很复杂，但他观察到，该设备让他想起了另一个时代的东西。 当他的团队测量普朗克常数时，必须按照仔细的顺序打开和关闭阀门； 必须不断检查装满液氦的罐内的压力。 “你感觉就像在驾驶蒸汽机，”施拉明格补充道，“但你却在做测量量子力学量的实验！”

再见了，Le Grand K

接下来会发生什么取决于去年测试的结果。 五个参与的国家计量实验室中的三个的千克测量值必须在 50 微克范围内匹配——这是 Le Grand K 质量当前苍蝇翅膀的不确定性。 在试点研究结果发表后，将认真开始重新定义的工作。

如果一切顺利，那么千克将根据普朗克常数定义。 BIPM 为重新定义设定了严格的标准：不仅所有普朗克常数的测量值必须在十亿分之五十以内一致，而且至少有一个测量值的不确定性必须低于十亿分之二十——加拿大人已经超过了这个水平。 为了使重新定义在 2018 年生效，所有新的普朗克常数测量值都必须在 2017 年 7 月 1 日之前被接受发表。

那么 Le Grand K 呢？ 它将留在其金库中。 尽管科博天平很复杂，但我们可能还没有看到千克文物的终结。 在未来的几十年里，世界各地的计量实验室将使用新一代原型进行日常工作，而不是定期进行艰苦的科博天平测量。 新原型已经在该局成型。 但它们将通过科博天平进行校准，而不是 Le Grand K。

那么这就是故事的结局吗？ 我们现在是否拥有一个适用于所有人、所有时代的千克？ 斯托克保留了判断。

“我的前任之一，一位名叫查尔斯·爱德华·纪尧姆的诺贝尔奖获得者，认为目前的千克可以使用 10,000 年，”他说。“这当然过于乐观了。 我不确定这将是最后一次重新定义，但它应该在一段时间内有效。 也许不是接下来的 10,000 年。”