▲K20是美国国家千克原器，目前正在法国巴黎用国际千克原器进行校准。

小到买菜做饭，大到飞机制造，千克都是我们日常生活中必不可少的质量计量单位。1千克重多少，或者更确切地说，什么质量相当于1千克？

从昨天开始，这些问题的答案不再是熟悉的回答。

11月16日，第26届国际计量大会通过投票重新定义了“千克”——基布尔秤将取代使用一个世纪的“国际千克原器”（IPK），成为千克的新标准。

在此之前，千克是目前唯一仍然使用实物进行定义的单位。自1889年以来，全世界的千克定义基准都是保存在巴黎秘密地下室内的一个铂-铱合金圆柱体。

但千克之源本身的质量正在变小，这促使国际度量衡大会于2011年决定将千克和量子力学常数挂钩，进行重新定义。

国际千克原器将逐渐被取代

“我们都知道千克是基本的质量单位，它的测量方法用于许多其他数学和科学计算。科学家们相信，我们已经习惯了超过140年的旧的测量千克的方法是有缺陷的！”1985年诺贝尔物理学奖得主克劳斯·冯·克里青此前表示，在1875年之前，科学家没有标准、统一的测量方法来精确地建立质量单位，随后他们通过制造一个叫做“国际千克原器”的圆柱形物体来解决这个问题。

科学家们习惯将其称为“大K”。

“大K”由一种铂合金制成，这种合金叫“90Pt10Ir”，即90%的铂及10%的铱（按质量比）；然后把这种合金用机器制作成高度和直径均为39.17毫米的直立圆柱体，代表一千克。

▲电脑合成的千克原器图像。

随后，国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称SI制。

米、秒、千克、安培（电流单位）、开尔文（温度单位）、摩尔（把物质的质量与构成该物质的原子数关联起来）和坎德拉（光源的内禀亮度单位）被确立为7个基本单位。

在19世纪80年代，大约有40个国际千克原器复制品被分发给签署了《米制公约》的国家，而主要的原型存放于法国巴黎的国际计量局总部。每十年，国际计量局便会观测该国际千克原器。

首先“大K”需要被从地下室取出，这需要三人同时在场，自上而下依次打开地下室门上的三把锁，在地下室内是一个配有密码锁的大型保险柜，里面就是安坐在三重钟形玻璃罩下的“大K”。

保险柜里还同时存有六个副本。世界上只有三个人有地下室的钥匙：度量衡局主任、巴黎国家档案馆主任，还有国际度量衡委员会（CIPM）主席，他是度量衡局的监管者。由于三把钥匙都不相同，所以开启地下室需要三人同时在场。

“米制公约1875年签订以来，我是国际度量衡委员会选出的第二位非欧洲人主席，”来自澳大利亚的工程师巴里·英格利斯（Barry Inglis）介绍，“我曾经问过，如果我回家途中飞机掉到印度洋里去了他们该怎么办，不过我相信应该有锁匠略施小计就能把那把旧锁打开。”

度量衡局的大多数工作人员都无缘得见“大K”，而且谣传它的官方照片实际上并非本尊。“我见过一次。”从1987年就开始在这工作的苏珊·皮卡尔（Susanne Picard）说。三把钥匙的保管者每年打开一次地下室检查“大K”，但不会碰它，只是确保它还完好无损地待在那。

在进入了放置“大K”的圣所之后，一位技术人员会用麂皮包覆的钳子夹起那个闪亮的圆柱，移送到清洁台上，然后用蘸了酒精和乙醚的软麂皮擦拭，接着用经过两次蒸馏的纯水冲洗，最后用氮气吹干所有残留的水滴。整个过程耗时约一小时。

国际度量衡局在测试样品上尝试过各种清洁方法，比如用紫外线照射，但这些方法实际上会让合金变得过于干净。

“那些方法看似能比我们的方法清除更多的灰尘，但太干净会增强金属表面的反应活性，从而使质量变得不稳定。”斯托克解释说，这会使得“大K”作为标准的可靠性降低，所以国际度量衡局仍保留了传统的麂皮擦拭和水浴法。

沐浴之后，“大K”和“证人”们会被送至一间洁净的房间，放在一台名为质量比较仪的设备上，这台价值50万美元的装置能测量出低至1微克的质量差。质量比较仪加上10个所谓的工作标准千克是国际度量衡局质量分部的“全勤员工”，它们用于绝大多数日常校准，而“大K”及其副本几十年才出马一次，为各国校准国家千克原器。

随着时间的推移，调查员发现“大K”的某些官方复制品在100年时间内重了50微克，或者说“大K”轻了50微克。

“50微克的变化，历时一个世纪，”国际度量衡局主任米歇尔·斯托克斯托克感叹道，“你能看出变化有多细微。”尽管这样的质量差异目前不会带来任何实际问题，“但如果继续下去，迟早会有麻烦。”

在纳米技术领域，50微克可以说重于泰山了。“这个世界需要标准化和规范化，微小的变化累积起来的误差会很惊人。”克劳斯·冯·克里青表示，“大K”的变化不仅仅会对计量本身造成影响，还会影响其它标准的建立。

比如，公制中力的单位牛顿，定义中就包含千克，而牛顿则进一步定义了焦耳——能量的单位，焦耳又定义了瓦特，如此这般牵连不绝。

最终任何一个小问题都将撼动我们对几乎整个物理世界的测量。

你好，普朗克常数

不过，从第26届国际计量大会开始，这些变化将无关紧要。

因为，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。

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。

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。

对人们的日常生活没有影响

不管你信不信，1千克缩水了！虽然质量的减少是非常微小的，但在科学测量中它是巨大的，而新的定义将从明年5月开始生效，所有使用国际单位制的国家都将受到影响。

“但是大家不要担心，这些新的度量衡单位，就算确定之后，也不会改变我们现在的日常生活。将来千克还是千克，但是我们将会用更为稳定，更为通用的方法，对它们的标准进行界定。”克劳斯·冯·克里青表示，重新定义并不会影响到日常测量。

但，对需要最高测量精度的那些科研工作者来说，重新定义后的方案允许他们以多种方式，在任何时间、任何地点，以任何规模进行测量而不会损失任何精度。

那么，现在的“大K”将何去何从？它将继续保存在现在的地下室内。

考虑到基布尔秤的复杂程度，科学家们可能还需继续仰仗千克原器。世界各国的计量实验室不会经常进行艰难的基布尔秤测量，在未来数十年内它们还是会采用新的一批千克原器进行日常校准工作。

新的千克原器已经在国际度量衡局进行制作，但它们将会用基布尔秤来进行校准，而不是用“大K”。

“最早的时候，我们对于质量的定义，可能跟我们当地的物产有一定的关联，比如说多少颗豆子构成多少质量等等；现在通用于全球的标准，比如说1千克就是一个立方分米水的重量；将来我们使用普朗克常数，那么对于所有物理的定义，就可以普适于整个宇宙。我们将其称为法国大革命之后，计量界最大的一次变革也不为过。”不过克劳斯·冯·克里青也提醒道，“想要永恒固定1千克是不现实的，毕竟所有的物理实验都是在逐步接近精准与稳定、趋于完美。”

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千克是国际单位制的7个基本单位中最近一个被更新的，但绝不是最后一个。

米、安培、秒、坎德拉、摩尔和开尔文，上述7个单位中，有两个已经在几十年前重新定义过了。

1983年，米的定义由一根与“大K”保存在同一处的铂-铱合金棒上两条刻度线的间距，改为光在1/299 792 458秒内传播的距离。

随着20世纪60年代高精度原子钟的出现，秒的定义也从一天的若干分之一，修改成了以铯原子发出的微波辐射的某个特定频率为基准。按照计划，摩尔、开尔文和安培的定义也都将于2018年进行全面修订。

安培目前的状况特别奇怪，它的标准定义需要两根无限长的一维无质量导线，如此理想的情况完全无法在实验室中实现。这种状况到2018年就会改变，届时将改用电子电荷定义安培。这完全得益于纳米器件的发展，让我们有能力对导线中流动的电荷进行逐一计数。

“如果放眼下一次更新，其中也许会包括基于量子力学定义的坎德拉，还有用光学而非微波定义的秒，”加拿大首席计量学家阿兰·斯蒂尔（Alan Steele）猜测，“但这起码都是15年之后的事了，说不定还要更久。”

计量学家在努力制定一套不受狭隘的地球观念束缚、真正普适的测量系统，在这个过程中，千克的重新定义处于中心地位。

原则上，新的单位将对宇宙中任何地方的智慧生物都适用，无论在地球上还是在仙女星系之中。

对计量学家而言，这是最好的时代。

斯蒂尔说，“这是一生一次的机会。上一次我们这样触及根本还是在重新定义米的时候。要我说，眼下是首席计量学家的黄金时代。这当然不像保卫世界和平之类的那么伟大，但已经非常美妙了。”

作者：李晨琰 姜澎
编辑：李晨琰
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