替換千克的競賽

去年四月的一個下午，當喬恩·普拉特走向華盛頓杜勒斯國際機場的安檢站時，他感到有些緊張。他的相機包裡塞著四個實心金屬圓柱體，這些物體肯定會引起警惕的國土安全部 TSA 工作人員的仔細檢查。每個圓柱體的重量都正好是一千克。其中一個——一個閃閃發光的鉑銥合金，大約只有金槍魚罐頭的一半大小——價值至少 40,000 美元。（鉑金的價格目前徘徊在每金衡盎司 1,000 美元左右，金衡盎司是貴金屬的常用單位。）另外三個由精密加工的不鏽鋼組成。

普拉特的任務：安全地——並且毫髮無損地——將它們送到巴黎郊區的一位同事手中。

普拉特持有國家標準與技術研究院的檔案，旨在幫助他順利透過安檢。檔案解釋說，他攜帶了四個官方的美國千克——作為該國所有重量測量的基礎的參考質量——並特別說明這些千克不應被觸控或從其保護罐中取出。

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身材苗條、以前是朋克搖滾樂手的普拉特負責管理位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的 NIST 量子測量部門。“TSA 的工作人員有點為難我，”他說。“但是後來他讀了所有的檔案，這變成了一件很酷的事情，讓他的一天都變得美好起來。” 幾分鐘後，普拉特揮手透過安檢，登上了前往巴黎的七小時航班，這又帶來了另一個難題：如果他需要起身，該如何處理他昂貴的隨身行李？ 他應該像一些同事建議的那樣，始終將包帶在身邊嗎？ “我承認，當我去洗手間的時候，我把它放在我前面座位的下面，”普拉特說。“所以它短暫地離開了我的視線，可能有人過來並用他們的手在這些千克上亂摸。”

這樣的處理會破壞數月來為測量千克而付出的細緻工作，這些工作的精度達到了十億分之幾。 普拉特正將這些圓柱體送到位於巴黎塞納河對岸塞夫勒的國際計量局 (BIPM)。 幾個月後，那裡的計量學家將把它們與來自其他三個國家的相同金屬圓柱體，以及德國國家計量實驗室製造的一個高純度矽一千克球體進行比較。 這是世界質量測量方式歷史性轉變的最新一步。

自 1889 年，即埃菲爾鐵塔開放的同一年以來，千克一直由一個鉑銥合金圓柱體的質量定義，該圓柱體儲存在 BIPM 總部金庫中三個巢狀的玻璃鐘形罩下方。 國際千克原器，又名 IPK 或Le Grand K，是原始千克，所有其他國家質量標準都由此衍生而來。 千克是一個例外； 它是最後一個仍然與物理物件相關的測量單位——但這種情況不會持續太久。 到 2018 年底，Le Grand K 將被廢黜，千克將有一個基於普朗克常數的新定義，普朗克常數是量子理論中的一個固定量，與單個光粒子或光子攜帶的能量有關。

為什麼要強迫 Le Grand K 退役？ 多年來，計量學家一直希望國際質量標準的準確性和可靠性與宇宙的基本常數聯絡起來，而不是與維多利亞時代的受呵護金屬塊聯絡起來。 但還有一個更緊迫的改變原因：Le Grand K 似乎正在失去質量。 大約每 30 年一次，Le Grand K 會從其金庫中取出進行清潔，並與六個官方副本或temoins（“證人”）進行比較，這些副本也儲存在同一個金庫中。 當最初的兩個 temoins 在 1889 年與 Le Grand K 進行比較時，兩者都與原件匹配。 但在二戰後不久和 1992 年進行的測量發現，這些副本的重量略高於 Le Grand K。 這些副本都以某種方式增加質量，而 Le Grand K 保持不變，這似乎是難以置信的。 當然，還有更合理的解釋。 “我們可以假設，”BIPM 主任邁克爾·斯托克說，“國際千克原器正在失去一些質量。” 這種不確定性是國際計量大會——該局的管理機構——在 2011 年決定建立新的質量標準的原因之一。

沒有人知道 Le Grand K 為什麼會減輕重量。 它太有價值了，無法進行可能提供答案的測試。 這個謎團帶來了實際問題。 隨著未來幾十年技術的進步，分子尺度及以下的質量精確測量將在廣泛的行業中變得司空見慣。 “我們希望有辦法以至少三位數字的解析度測量微克質量，”普拉特說。“而對於人工千克，在小尺度上，事情變得非常不確定。”

Le Grand K 的缺點不僅限於質量測量。 力和能量單位最終也來源於它。“我們現在正處於這樣的地步，即我們會看到基本常數的值發生變化，因為 IPK 發生了變化，”斯托克說。“這沒有任何意義。”

新標準

千克是公制系統中七個基本單位中最新被修訂的一個，但它不會是最後一個。 除了千克之外，國際單位制（SI）還包括米、安培（用於電流）、秒、坎德拉（光Intrinsic亮度單位）、摩爾（將物質的重量與其包含的原子數聯絡起來）和開爾文（用於溫度）。

SI 單位中的兩個在幾十年前就被重新定義了。 1983 年，米，以前是透過刻在與 Le Grand K 儲存在同一金庫中的固體鉑銥合金棒上的兩條線之間的距離來測量的，現在變成了光在 1/299,792,458 秒內傳播的距離。 隨著 20 世紀 60 年代改進的原子鐘的出現，秒——以前被定義為一天的某個分數——根據銫原子發射的特定微波輻射頻率進行了重置。 摩爾、開爾文和安培也計劃在 2018 年進行全面改革。

安培的當前（可以這麼說）狀態尤其奇怪。 它的官方定義，其中一部分涉及兩根無限長、一維、無質量的電線，非常抽象，以至於無法在實驗室中複製。 這種情況將在 2018 年發生改變，屆時安培將根據電子的電荷重新定義，這一進步得益於奈米技術裝置的開發，該裝置能夠計算透過電路移動的單個帶電粒子。

“如果我們展望下一次重新定義，它們可能包括基於量子力學的坎德拉用於光，以及可能用光學定義取代微波定義的秒，”加拿大首席計量學家艾倫·斯蒂爾說。“但這些至少還要 15 年。 也許更長。”

千克的重新定義是建立真正通用的測量系統的努力的核心，該系統不受狹隘的、地球的慣例的束縛。 原則上，新單位對於從這裡到仙女座的任何地方的智慧生物都將有意義。 對於計量學家來說，這是一個令人興奮的時代。 “這是一生一次的事情，”斯蒂爾說。“我們上次嘗試如此根本的事情是在重新定義米的時候。 現在是成為首席計量學家的時候，我告訴你。 它不像世界和平之類的，但它非常酷。”

金庫

Le Grand K 不是第一個官方千克。 它有一個前身，是在法國大革命期間製造的，當時整個公制系統誕生了。 在革命之前，地方習俗決定了幾乎所有法國的重量和長度。 標準因城鎮而異，給國家帶來了 700 多個不同的計量單位。 例如，toise 相當於英國的 fathom：一個人伸開雙臂之間的距離。 但是巴黎的 toise（等於 72 pouces）可能與馬賽使用的 toise 不匹配。 法國人當時稱他們的科學家為 savants，他們試圖透過建立一個“為了所有人，為了所有時代”的新系統來結束混亂，這一座右銘被紀念在一塊現代牌匾上。

“他們在 1791 年的想法是，標準應該基於自然且不變的現象，”BIPM 質量部門的退休主管理查德·戴維斯說，該部門負責維護 Le Grand K。“我們仍然在這樣做，”他說。 不同之處在於，現在計量學家正在轉向真正不變的自然常數。

我們正坐在斯托克在布勒特伊館的辦公室裡，這是一座優雅的 17 世紀建築，位於聖克盧公園塞納河畔綠意盎然的山頂上，這裡曾經是法國國王的皇家狩獵場。 瑪麗·安託瓦內特的玫瑰園仍然在這裡得到精心照料。 自 1875 年《米制公約》（由 17 個國家簽署的條約）以來，這裡一直是國際局的總部。

“你注意到今天早上你過橋到塞夫勒時左邊的島嶼了嗎？” 戴維斯問道。 他說，這個島嶼曾經是雷諾工廠的所在地，該工廠在二戰期間為德國軍隊建造坦克。 美國轟炸機多次以此為目標。 在一次轟炸震動了布勒特伊館之後，Le Grand K 被放置在一個特殊的防震容器中。 儘管 temoins 在戰爭的大部分時間裡都被疏散到法國銀行的一個地下保險庫中，但《米制公約》規定 Le Grand K 必須始終留在該局。

點選或輕觸放大

當 Le Grand K 在戰後於 1946 年從其金庫中取出進行清潔並與六個副本進行比較時，發現它比 temoins 輕 30 微克。 到下一次清潔時，即 45 年後，差異增加到 50 微克——相當於蒼蠅翅膀的重量。

“五十年微克——超過一個世紀，”當我們檢視他辦公室電腦上的變化圖表時，斯托克說。“你可以看到它非常小。” 他說，就目前而言，這種差異不會帶來任何實際困難。“但是如果我們繼續這樣下去，總有一天這會導致問題。”

在奈米技術領域，50 微克是一個巨大的數字。 此外，千克質量的不確定性將波及到一長串基本單位：力的公制單位——牛頓——是根據千克定義的，而牛頓反過來又定義了焦耳——能量單位——而焦耳又定義了瓦特，等等。 最終，一個小小的問號將玷汙幾乎所有對物理世界的測量。

清潔和比較 Le Grand K 與測試質量並非例行任務——尤其因為它自 1889 年以來只進行了四次。 首先，必須將 Le Grand K 從其 caveau 或金庫中取出，這需要三個人在場才能開啟垂直排列的三把鎖。 金庫內部是一個帶有密碼鎖的大保險箱，裡面裝著 Le Grand K，它位於三個巢狀的鐘形罩下方。 保險箱還存放著六個副本。 世界上只有三個人持有金庫鑰匙：BIPM 主任、巴黎國家檔案館館長和國際計量委員會 (CIPM) 主席，該委員會負責監督該局的工作。 因為每把鑰匙都不同，所以所有三位官員都必須在場才能開啟金庫。

“我是自 1875 年《米制公約》以來，被選為 CIPM 主席的第二位歐洲以外的人，”澳大利亞電氣工程師巴里·英格利斯說。“我問他們，如果我在印度洋上空飛回家時飛機失事了怎麼辦：‘你們打算怎麼辦？’ 但我確信有鎖匠可以毫不費力地開啟舊鎖。”

該局的工作人員很少有人見過 Le Grand K，並且有傳言說其官方照片描繪的是替身。 “我見過一次，”自 1987 年以來一直在 BIPM 工作的蘇珊娜·皮卡德說。 三位鑰匙持有者每年開啟一次金庫，檢視——但不觸控——Le Grand K，以確保它，嗯，仍然在那裡。

進入 Le Grand K 的內殿後，一位技術人員用麂皮襯墊鉗子拿起閃亮的圓柱體，並將其運送到清潔站，在那裡用浸泡過酒精和乙醚的麂皮布擦拭，然後用一股雙蒸餾水沖洗。 最後噴灑氮氣以去除任何殘留的水滴。 整個過程大約需要一個小時。 該局已在測試質量上試驗了不同的清潔技術——例如，使用紫外線輻射——但這些方法實際上使合金太乾淨了。“它們似乎比我們的技術去除了更多的汙垢，”斯托克說。“但之後，質量變得不穩定，因為表面太乾淨了，變得高度活潑。” 這隻會使 Le Grand K 作為標準變得更不可靠，因此該局仍然致力於其麂皮擦拭和水沖洗方法。

在洗完澡後，Le Grand K 和 temoins 被帶到一個潔淨室，並放在一個稱為質量比較器的裝置上，這是一種價值 50 萬美元的儀器，可以測量小至 1 微克的質量差異。 質量比較器和 10 個所謂的標準工作千克是 BIPM 質量部門的主力； 它們用於大多數日常校準，而 Le Grand K 和 temoins 僅每隔幾十年才會被取出，用於驗證來自不同國家的國家千克原器。

隨著與戴維斯和斯托克的談話接近尾聲，我問他們是否可以看看 Le Grand K 所在金庫的外部； 我知道沒有機會看到那個尊貴的原始圓柱體本身。 他們爆發出笑聲，搖著頭說：“不，不，不，不！”

“這不是我們第一次被問到，”戴維斯說。

“它就在這片土地上，對吧？” 我問。

“是的，”戴維斯回答說，“這已經是公開的秘密了。”

艱難的測量

很快，Le Grand K 將成為一個歷史文物，而新的國際質量定義將基於普朗克常數。 普朗克常數包括能量和時間的單位，可以透過按摩方程 E = mc² 以質量表示。 與引力常數 G 一樣，普朗克常數源於理論，但其數值只能透過實驗確定。 隨著儀器的改進，我們對自然常數的測量正在穩步提高。

為了過渡到新的量子標準，BIPM 設計了一個分為兩部分的策略。 首先，五個不同國家的國家計量實驗室將確定普朗克常數的數值，根據該值稱量其國家千克的重量，然後檢視其千克測量值匹配程度如何。 這是該局去年夏天進行的測試。 假設今年年初預期的結果令人滿意，研究參與者將反轉該過程，並在其國內設施中使用其國家千克來微調其普朗克常數的測量值。 然後，精確的新普朗克常數值將用於永久重新定義千克。

這項工作的大部分將涉及使用一種極其複雜的裝置，稱為科博天平。 直到去年，科博天平被稱為瓦特天平。 計量學家決定在 2016 年其發明者英國物理學家布萊恩·科博去世後將其更名。 科博天平實驗非常困難，以至於 2012 年《自然》雜誌將其列為物理學中最艱鉅的五項任務之一，與探測希格斯玻色子或引力波並駕齊驅。

去年五月的一天，NIST 的斯蒂芬·施拉明格開車送我到研究所 235 公頃樹木繁茂的校園邊緣的一棟白色兩層建築，該建築容納了其較舊的兩臺科博天平之一，自 2014 年較新型號完成後，它基本上已被封存。 “它就像《草原小屋》，”施拉明格在我們停在孤立的建築物前時開玩笑說。 NIST 大部分普朗克常數測量都是在這裡進行的，新型號的工作方式大致相同。

當我們走進室內時，與農舍的任何相似之處都消失了。 內部看起來像是一部蒸汽朋克小說的場景，牆壁一直到二樓的天花板都覆蓋著銅。“看到所有的黃銅硬體了嗎？” 施拉明格說。“沒有鐵。” 銅和黃銅遮蔽了儀器免受外部磁場的影響。 但是建築物內部產生的磁場足夠強大，可以擦除信用卡。 在一樓房間的中央，矗立著一根高高的支撐柱，其底部有一個超導磁體。 執行時，磁體用液氦冷卻。

實際的天平機構位於二樓。 它由一個半米寬的鋁製輪子垂直安裝，天平盤透過電線從兩側懸掛。 在測量期間，一個天平盤裝有一千克質量； 線圈懸掛在同一盤的正下方，由三根四米長的杆懸掛。 天平另一側的盤子裝有平衡砝碼和電動機。 需要天平的兩種不同的操作模式來獲取將質量與普朗克常數聯絡起來的方程中使用的所有值。 在“稱重模式”下，測試質量上的向下重力完全被透過懸掛在盤下方的線圈中執行電流產生的磁場抵消。 在“速度模式”下，測試質量從盤中移除，線圈由另一側盤中的電機以恆定速度在由天平的超導磁體產生的磁場中向上提起，這會在移動線圈中感應出電壓。

然後在稱重模式下測量的電流和速度模式下感應的電壓被代入量子理論的方程中，這些方程將電流、電壓和電阻與普朗克常數聯絡起來。 簡而言之，從已知的 1 千克質量開始，科博天平可以確定普朗克常數。 然後，有了普朗克常數的精確值，天平就可以用於測量質量，而無需任何型別的物理文物。

為了獲得準確的結果，施拉明格和他的同事需要考慮區域性氣壓和重力的波動。 地軸的歲差也必須包括在內，以及潮汐。 “如果你不校正潮汐，”施拉明格說，“大約有十億分之一百的誤差。” 儘管它很複雜，但他觀察到，該裝置讓他想起了另一個時代的東西。 當他的團隊測量普朗克常數時，必須按照仔細的順序開啟和關閉閥門； 必須不斷檢查裝滿液氦的罐內的壓力。 “你感覺就像在駕駛蒸汽機，”施拉明格補充道，“但你卻在做測量量子力學量的實驗！”

再見了，Le Grand K

接下來會發生什麼取決於去年測試的結果。 五個參與的國家計量實驗室中的三個的千克測量值必須在 50 微克範圍內匹配——這是 Le Grand K 質量當前蒼蠅翅膀的不確定性。 在試點研究結果發表後，將認真開始重新定義的工作。

如果一切順利，那麼千克將根據普朗克常數定義。 BIPM 為重新定義設定了嚴格的標準：不僅所有普朗克常數的測量值必須在十億分之五十以內一致，而且至少有一個測量值的不確定性必須低於十億分之二十——加拿大人已經超過了這個水平。 為了使重新定義在 2018 年生效，所有新的普朗克常數測量值都必須在 2017 年 7 月 1 日之前被接受發表。

那麼 Le Grand K 呢？ 它將留在其金庫中。 儘管科博天平很複雜，但我們可能還沒有看到千克文物的終結。 在未來的幾十年裡，世界各地的計量實驗室將使用新一代原型進行日常工作，而不是定期進行艱苦的科博天平測量。 新原型已經在該局成型。 但它們將透過科博天平進行校準，而不是 Le Grand K。

那麼這就是故事的結局嗎？ 我們現在是否擁有一個適用於所有人、所有時代的千克？ 斯托克保留了判斷。

“我的前任之一，一位名叫查爾斯·愛德華·紀堯姆的諾貝爾獎獲得者，認為目前的千克可以使用 10,000 年，”他說。“這當然過於樂觀了。 我不確定這將是最後一次重新定義，但它應該在一段時間內有效。 也許不是接下來的 10,000 年。”