见证历史：千克等单位被重新定义，国际单位制进入“量子时代”
11月16日，第26届国际度量衡大会经过60个成员国代表的投票表决，重新定义了千克，新定义以普朗克常数为基准，有一百多年历史的国际千克原器“大K”即将退出舞台。安培、开尔文和摩尔的定义也被更新，这是国际单位制于 1960 年正式公布以来最大的一次调整。
电脑合成的千克原器图像。| 图片来源：Wikipedia
撰文 戚译引
北京时间11月16日晚，在第 26 届国际度量衡大会（General Conference on Weights and Measures，GCWM）上，60 个成员国代表投票通过了一项历史性的决策，对千克、安培、开尔文和摩尔的定义进行了更新。
有赖于科学家近年来对相关常数的精确测量，这次变更之后，7 个基本度量标准全部使用物理常数定义，而不依赖于实体。新标准将于 2019 年 5 月 20 日开始实施。
再见了，大K
在这次变更的定义中，千克无疑是最受关注的一个。在国际单位制（SI）家族的 7 个基本单位中，千克曾经是最后一个依赖于实体进行定义的单位。在过去一百多年中，全世界的质量度量标准都以国际千克原器“大K”（Le Grand K）为参照，这是一个铂-铱合金圆柱体，被保存在位于法国巴黎的国际度量衡局（International Bureau of Weights and Measures，BIPM）的地下室里，受到重重保护。许多国家也都保存着各自的千克原器。
在法国科学工业城（Cité des Sciences et de l'Industrie）展出的大 K 复制品。| 图片来源：Wikipedia
其他单位的定义最初也与千克相似，取决于某些特定的实体。以长度单位米为例，法国科学院 1791 年将米定义为 1/4 个地球周长的一千万分之一，而地球的周长由通过巴黎和地球南北极的经圈来确定。
计量学家始终致力于制定一套普适的计量标准，能够通行于过去、现在和未来，适用于地球或遥远的星系。像“拃”或者国王脚长这样的单位显然是不行的，甚至地球的形状也并非恒定，自然常数才是理想的选择。
还有一个问题让制定新的质量标准变得更加迫切：大 K 的质量正在神秘丢失。通过和副本进行交叉对比，计量学家们发现它在一个世纪内“瘦”了 50 微克，相当于一根眼睫毛的重量。而由于整个测量体系环环相扣，其他许多物理单位都与质量有关，甚至包括一些基本常数的数值，这种微小的改变最终足以危及整个物理世界的根基。
几十年前，计量学家用光速和铯原子钟分别重新定义了米和秒。随着近年来科学家对自然常数的测量精度不断提高，其他单位的定义也得以更新，更加完美、恒久的计量标准终将成为可能。
你好，普朗克
新的千克定义将以普朗克常数为基准。普朗克常数代表了量子物理中“一份”能量的大小，而能量可以在宏观或微观尺度进行测量。在实际操作中，那个连接量子世界与宏观尺度的“任意门”就是基布尔秤（Kibble’s balance）。
美国国家标准技术研究院的基布尔秤。| 图片来源：Wikipedia
基布尔秤是一种极其复杂的装置，它的秤盘底部安装了线圈，下方是超导电磁铁，有两种不同的工作模式。在“称量模式”（weighing mode），电流通过线圈，产生的感应磁场与下方的磁体互斥，托起秤盘上的物体，这时就可以通过测量相关参数，算出物体的重量。而在“速度模式”（velocity mode），秤盘上不放物体，电机牵引秤盘在磁场中匀速上升，在线圈中产生一个感应电压。
再借助约瑟夫森效应（Josephson effect）和冯·克里青常数（von Klitzing constant），分别对电压和电阻进行量子化计算，质量单位和普朗克常数最终将能够被纳入同一个方程中。简而言之，如果已知普朗克常数或测试质量的其中一个值，就可以用基布尔秤精确测量另一个值。
基布尔秤工作原理。| 图片来源：NIST；翻译：科研圈
为了让测量结果尽可能精确，基布尔秤实验过程中还需要考虑当地气压、引力波动甚至潮汐的影响。《自然》（Nature）期刊曾将基布尔秤实验选为 2012 年最困难的五个物理实验之一，位列寻找希格斯玻色子和探测引力波之后。
近年来，借助基布尔秤和多个标准千克原器，5 个国家的国家计量实验室共同确定了普朗克常数的准确数值，让重新定义千克成为可能。中国科学家方浩（Hao Fang）、李世松（Shisong Li）在 BIPM 基布尔秤团队参与了这一项目。
欢迎来到量子时代
新的千克定义解释起来可能有些复杂。根据最新测量结果，普朗克常数h = 6.62607015 ×10−34 kg m2 s−1，即 1kg = h / 6.62607015 ×10−34 m-2 s。
将其中的米（m）和秒（s）分别用光速 c 和铯133 原子共振频率 ∆νCs 定义：
光速 c = 299792458 m s−1，因此1m = 1/ 299792458 c·s；
铯133 原子共振频率 ∆νCs = 9192631770 Hz，即 1s = 9192631770 / ∆νCs ；
代入前面的公式，得到了新的千克定义：
确实有点复杂。美国国家标准技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）物理学家詹姆斯·奥托夫（James Olthoff）告诉《科学》（Science），计量学家们确实考虑过更直接的方法，例如计算特定数量的某种原子的质量，但是这不够实际，并且研究人员已经用数原子的方式确定了阿伏伽德罗常数，进而重新定义了摩尔。过去 1 摩尔被定义为“所含基本微粒个数与 0.012 千克碳12 的原子数相等的系统中物质的量”，而新的阿伏伽德罗常数通过计算一个重 1 千克的高纯度硅球（硅28）中的原子数得出，自此切断了摩尔的定义与千克之间联系。
摩尔的定义也在这次会议上得到了更新，一同“升级”的还有安培和开尔文，分别基于基本电荷和玻尔兹曼常数定义。那些进行高精度测量的科学家可能会需要调整自己的工作，不过对于大多数普通人来说，定义的变更不会带来什么可见的影响——以安培为例，这次更新后电压单位伏特的大小波动大约在千万分之一，电阻单位受到的影响还要更小。
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参考来源：
https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/Convocation-2018.pdf
https://www.bipm.org/utils/en/pdf/si-revised-brochure/Draft-SI-Brochure-2018.pdf
https://www.sciencemag.org/news/2018/11/metric-system-overhaul-will-dethrone-one-true-kilogram
https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-kibble-balance
用普朗克常数定义千克，撰文 蒂姆·福尔杰（Tim Folgier），翻译 庞玮，《环球科学》2017年3月号
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