國際部門製（SI）是全球統一認可的現代測量體系，其中 7 個被嚴格定義的基本部門分別為：長度（米）、質量（千克）、時間（秒）、電流（安培）、熱力學溫度（開爾文）、物質的量（摩爾）和發光強度（坎德拉）。它們也是人們在日常生活中經常用會到的測量部門。但是，這些部門的標準又是誰來決定的？是誰決定了我的質量是 50 千克，而非 40 千克呢？
在過去的 130 年裡，這個問題的答案是法國巴黎國際計量局（BIPM）內的一根鉑銥合金圓柱體，直到現在。
根據國際計量大會（CGPM）的決定，從 2019 年 5 月 20 日起，作為最後一個由人工製品定義的部門，千克將與安培、開爾文和摩爾一同與基本物理常數聯繫起來。
圖 | 過去 130 年中的標準千克：國際千克原器（IPK），又稱“大 K”（來源：國際計量局）
基本部門的變遷
在過去的 130 年裡，這根存放在巴黎郊區的鉑銥合金圓柱體為全世界的科研工作者提供了一個統一的質量標準，也因此極大地推動了各個學科的發展。畢竟，在各種高精度試驗裡，古人所說的”失之毫厘，謬以千里”真是一點也不誇張。而經過統一校準的測量設備卻可以讓人們精確地複製他人的試驗，確保科學發現的再現性。
可是，隨著時間的推移和一次次的校準工作，這根圓柱的重量難免因磨損而發生了細微變化。共損失了約 50 微克的重量。不要小瞧這 50 微克的重量，雖然微乎其微，但易變的人工製品顯然已無法滿足現代精密的測量要求。
早在之前，除千克以外的其它基本部門，例如長度（米）和時間（秒），就已經由自然常數定義了。
其中，長度的部門“米”，最初定義是從北極至赤道經過巴黎的子午線長度的一千萬分之一。但由於這段距離並非常數，米被重新定義，與一個自然常數——光速掛鉤，為光在真空中每 1?299792458 秒內行駛的距離。
另一邊的時間部門“秒”，原先是一天時長的 86400 分之一。同樣，因為地球自轉的周期並非絕對，現在已被定義為”銫-133 原子基態下，兩個超精細能級之間躍遷對應異塵餘生周期的 9192631770 倍”時間。
如今，我們將使用普朗克常數（h）為新標準，重新定義“千克”。
新的“千克”
首先，什麽是普朗克常數？
它是量子力學中計算光子能量的常數，代表能量子與異塵餘生電磁波之間的關係。數值為6.62607015x10-34，部門是焦爾?秒，也可寫成千克?米2?秒?1。
我們可以發現，根據以上的部門轉換，千克與普朗克常數產生了關聯，所以我們也就能夠通過該常數和兩個基本部門——米和秒來定義千克。
根據公式計算，一千克的質量等於1.4755214x1040個具有銫-133 原子共振頻率的光子所具有的質量。
對此，麻省理工學院的物理學教授 Wolfgang Ketterle 表示，此次對千克的定義轉變是具有歷史意義的，這意味著今後世界各地的科學家和工程師，甚至是外星人，都能精確匹配出相同的“一千克”。
圖 | 一千克的傳統定義與新定義（來源：Alan Jamison, MIT）
既然有了全新的定義，千克的測量方法也有所改變。
理論上來講，研究人員可通過反射將光子匯聚在光學腔內，從而測量出定量光子的質量。但是，有誰能精準的數出1040（1 後面 40 個零）個光子呢？
就像沒有人會用 1 分錢的硬幣去數出 1000 萬元一樣，科學家們有辦法把單個光子的“1 分”硬幣換成更容易數的“100 元”大鈔。
目前已有兩種可用於高精度質量測量的方法：利用電流產生磁反作用力來測量質量的Kibble 平衡，和可以得出阿伏加德羅常數的超高純度單晶矽球。這兩種技術都是現在世界各地實驗室使用的標準技術。
未來，光子的計算和頻率測量技術還會不斷提高，人們對質量的測量只會越來越精確，再也不用依賴一塊人工合金製品了。
可以說，這套於 5 月 20 日實施的全新國際部門制定義，標誌著人類捨棄傳統定義，向宇宙標準看齊的歷史變革。
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責編：陳翔宇
參考：
http://news.mit.edu/2019/ambient-plant-illumination-could-light-way-greener-buildings-0510
http://news.mit.edu/2017/engineers-create-nanobionic-plants-that-glow-1213
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