新千克:穿越大半个宇宙也能称你

2019-04-12 03:06:34 意林绘阅读2019年3期

王嘉兴

小王子说:很多时候,我们并未意识到一些基础的科学研究所具有的价值,甚至对科学家们小题大做的行为甚为不解,殊不知我们所有人都在无意识中享受了他们给我们的生活带来的便捷。

1千克有多重?过去一个多世纪以来,一个藏在法国巴黎秘密地下室里的小圆柱体定义着精确的数值。它和高尔夫球差不多大小,由铂铱合金制成,价值30万元,被玻璃罩子层层密封保存。人们把它命名为国际千克原器(IPK),也有人爱称它为“大K”。

它波澜不惊地工作了一个多世纪,和存在于世界各地的40个“兄弟”一起,维持着千克这个单位的稳定。但最近因为“瘦了”50微克,大K不得不宣告退休。2018年11月16日,第26届国际计量大会通过投票,自2019年5月20日起,千克将基于物理常数普朗克常数计算得到。

对于绝大多数人来说,这个变化带来的直接影响得在小数点后很多个零后面才能体现出来,菜贩不会因此更换秤砣。但全世界的科学家都在关注这一变革。对他们而言,大K带来的不确定性是不能容忍的。

几乎所有单位的定义都曾经历这样的过程:最早从人类自身生活经验出发,最后走向标准化。18世纪以前,法国有超过700种不同的测量单位,即使是相邻的村子,同一单位都对应不同的长度。有的地方1图瓦兹等于成人男子展开双臂的长度,有的地方则定义为6皮耶,后来,这个单位又被拿破仑规定等于2米。

历史书中,秦始皇的一大功绩便是统一了度量衡。类似的努力一直延续到今天。千克是最后一个还依赖于实体的基本单位。几十年来,科学家面临的是不得不改的局面:大K的质量似乎一直在减轻。对1千克的物体来说,50微克意味着0.005%,是几乎无法察觉的差异。可如果我们把它放到对质量很敏感的领域,例如制药业,或是精密仪器制造业,这样的误差会直接决定成败。没有人知道为什么大K在丢失质量。人们花了大价钱,选用了最稳定的金属之一,不允许任何人靠近,即使是计量局的工作人员,多数都未曾亲眼见过大K。

我们有充分的理由拋弃原有的定义,但谁又有资格成为大K的继任者呢?选择物理常数是非常自然的想法,但要成为新一代度量衡,测量手段和精度都要满足非常严苛的条件。这项复杂的工作最终由美国、英国、德国、意大利、日本等国的实验室共同完成。一直到2014年,他们才完成初步工作。新的定义需要借助一种叫作基布尔秤的复杂装置,需要两层楼的空间堆放。《自然》曾将基布尔秤实验选为2012年最困难的5个物理实验之一。

在2018年的国际计量大会上,摩尔、安培和开尔文的定义也被更新了。1摩尔的数量成为一个固定的数值,不再与质量挂钩。1安培和1开尔文的大小也不再依赖于测量,完全由基本常数确定。自此,人类首次在基本单位体系中彻底摆脱实物基准,迈向“量子化”时代。

科学技术发展到21世纪,已经很少有人能明白学术前沿的研究到底在做什么,有什么意义。事实上,诺贝尔物理学奖常常垂青与基本单位测量有关的研究,每当人类制造出一台更准的钟、一截更好的标尺,都会催生一些无法预期的新应用。物理学界一直流传着一句话:“把小数点往后挪一位,你就会发现新的真理。”所有科学家都期待着,新的定义能让小数点多移几位。

大浪淘沙摘自《中国青年报》