对千克进行重新定义

自1889年以来，“千克”这一重量是由放在法国巴黎国际度量衡局(BIMP)的一个铂铱合金(90%的铂，10%的铱)圆筒所定义，它的高和直径都是约39毫米。该合金于1879年制成，经仔细调校，符合自18世纪法国大革命以来“千克”的重量，并于10年后被采纳，成为国际千克原器。国际千克原器被放置在巴黎市郊的地下室内，人们一直认为这一合金的质量不会改变。

在国际单位制里，除了“千克”，其余6个单位“米”“秒”“安培”“摩尔”等都不是以物体来定义的，质量是唯一一个以物体来定义的国际单位。用物体来定义重量单位的一个缺点就是物体的重量会随着时间的流逝而改变。实际上，到了1992年，国际千克原器的质量就发生了变化。经与其他“千克”原器相比，国际千克原器变化了约50微克，相当于一个直径0.4毫米的小沙粒。BIPM质量部主管艾伦·皮卡德说：“确切地说，我们无法确定它的质量是多了还是少了。这一变化可能是由于表面影响，失去了表面原子或结合了污染物。”

美国国家标准与技术研究院工程师乔恩·普拉特表示：“到了我们需要对千克进行重新定义的时候了。”普拉特是参与重新定义千克的诸多度量衡学者中的一名。

参与这项研究的科学家们的基本想法是让千克成为基本的物理学常量，就像现在用光在真空中的行进速度来定义米一样：在真空中行进的光在299792458分之一秒内旅行的距离为一米。有鉴于此，这些科学家正研究以更稳定的量子力学常数——普朗克常数h取代物体，重新对“千克”下定义，并尽快达成200年来科学界寻求用稳定数字来统一度量制度的目标。物理常量普朗克常数反映的是量子力学中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为普朗克常数。将这一等式与更加著名的E=mc2结合在一起，科学家们就可以据此定义质量了。

然而，为普朗克常数确定一个精确的数值本身也是一项非常复杂的工作，目前科学界有两种不同的方法来确定普朗克常数的数值，而他们得到的结果却并不一致，由此也让科学家们对千克进行重新定义变得更加困难。

其中一种方法利用的是瓦特平衡法(也叫瓦特天平)来定义普朗克常数。科学家们的想法是：瓦特天平的一端包含有一个普通天平，刚开始，研究人员把一个质量为m的物体悬挂在普通天平的一端，另一端挂着一段总长为L的线圈，线圈位于一个磁场强度为B的磁场中。在线圈中通以强度为i的电流，线圈就受到了一个大小为BLi的力的作用。仔细调节电流强度直至天平恰好平衡(也就是使mg=BLi)，再通过一系列等式就可以与普朗克常数联系起来。但实际情况却并非如此简单。科学家们仍然需要测量其他数值，比如，本地重力的大小、最大的误差源以及避免任何形式的振动。

2007年，普拉特采用瓦特天平法测量出了迄今最精确的一个普朗克常数数值——6.62606891×1034Js，误差相对不确定度为36/109。但是，另一个由英国国家物理实验所(NPL)制造、现放置于加拿大国家研究委员会国家测量标准研究所的测量仪器提供了一个不同于美国国家标准与技术研究院的结果，其数值更小。

另外一种获得科学界认可的测量普朗克常数的方法是计数一块纯物质样本的原子数的数量，科学家们由此可以确定阿伏伽德罗常数(0.012千克碳12中包含的碳12的原子数量)的大小。而阿伏伽德罗常数通过另一系列等式，也可以与普朗克常数产生关联。

2008年，德国联邦物理和技术事务研究所的科学家开始利用两个几乎完美的1千克半球进行试验，半球由纯度高达99.995%的硅28制成。自此，他们开始使用高精度的激光干涉仪来确定半球的体积；使用X射线衍射来确定其晶体结构，以便更加精确地计算出原子的数量。到目前为止，他们测出的阿伏伽德罗常数为6.02214082×1023，误差相对不确定度仅仅为30/109。他们再经过一系列等式和换算后得到的普朗克常数的数值与英国国家物理实验所的瓦特天平测量法提供的结果相符合，但与美国国家标准与技术研究院给出的数值不符。

截止到2010年，普朗克常数的推荐值一般定义为6.62606957×1034Js，其相对不确定度为44/109。有些人表示，这一数值足以用来对千克进行重新定义。但是，也有人认为，需要将误差相对不确定度缩小到20/109才能对千克进行重新定义。

普拉特表示：“要想做到这一点可能还需耗费一段时间，我们还要进行一些更严苛更困难的测量工作。”

据报道，鉴于国际千克原器质量的变化给物理学家带来了巨大的理论挑战，尤其是对那些需要精确测量的复杂实验而言，因此，在去年10月21日召开的第24届国际计量大会上，国际单位委员会决定淘汰千克原器，用基于普朗克常数h的数值来代替“千克”。

大会还表示，在2014年之前“将不会采用这一常数”，此前还将通过实验评估测量技术的精确性，以确保相对不确定度在20/109以内。如果今后用普朗克常数来表示质量，日常生活不会受到任何影响，比如要买500毫克阿司匹林、半公斤胡萝卜或一艘5万吨的游船，千克仍然是千克。然而，这一变化却会立即对专业实验室的高精检测产生重大影响。(文/科技日报)