5.重塑千克标准

　　1千克，这本应是一个不变的常数。但实际上它会变化，这是因为旧有质量标准规定，1千克等于巴黎郊外的一间库房中，那个有120年高龄的铂铱合金圆柱的质量。谁也不知道这位“千克原器”（Le Grand K）究竟是由于原子落在表面变重了，还是由于原子从表面脱落变轻了，唯一能肯定的是，它的质量肯定在变化——证据是，它的那些重量曾完全一致的复制品，现在已经有了可测量的质量差别。

　　“我们需要弄清楚这件事，”美国标准与技术中心（NIST）的工程师、致力于重新定义质量标准的计量学家琼·普拉特（Jon Pratt）说。他介绍说，千克是唯一一个目前还用实物来定义的基本单位。

　　重新定义千克的基本思想是，将千克与某个精确测量的基本物理常数联系起来，就如同今天用真空中的光速来定义米一样：1米是光在真空中1/299792458秒内通过的距离。这意味着，要定义千克，就必须确定普朗克常数h，因为后者是量子力学中能量量子（energy quanta）的大小，它乘上光的频率ν就得到能量，即著名的光电效应方程E=hν；接着，再用更著名的质能方程E=mc2，就可以得出千克质量的定义了。

　　不过，确定普朗克常数的准确数值是个精细活，而且目前常用的两种测量方法得到的结果还存在差异，这让上述方法止步不前。

　　在这两种方法中，一种是使用“瓦特秤”（watt balance）。这种装置其实是一架简单的天平：一端承载着1千克质量的物体，该物体质量用巴黎的千克原器精心校准过；另一端是一个放在磁场中的通电线圈。调整磁场，直到1千克质量与线圈所受的电磁力精确平衡，接下来就可通过一连串方程，把1千克质量和普朗克常数联系起来。但说起来容易做起来难，研究者不仅需要避免任何测量偏差，还需要排除其他干扰，比如最容易导致误差的地球引力场等。

　　目前由普拉特负责的这台瓦特秤，曾在2007年给出了普朗克常数最准确的测量结果之一：6.62606891×10-34J·s，相对误差仅为36×10-9。不过，英国国家物理实验室（NPL）的瓦特秤（该瓦特秤目前被移放至加拿大国家研究委员会下属的国家测量标准学院）给出了与NIST稍有差异的结果，区别虽然很小，但无法用实验误差来解释。

　　另一种常用方法是，计量一块同位素纯（isotopically pure，指没有杂质且只包含一种同位素的单质）样品中的原子数目，由此确定阿伏伽德罗常数（Avogadro constant，12克碳12原子所含的原子数目）的数值，而这个数值可通过另一套方程换算成普朗克常数。2008年，德国联邦物理技术研究所（Federal Institute of Physical and Technical Affairs）的科学家用两个近乎完美的1千克球体进行了实验。这两个球体由99.995%纯硅28制成，他们用高精度激光干涉仪确定球的体积，再用X射线衍射确定球体的晶体结构，以便能在更高精度上对原子进行计数。目前，他们测出的阿伏伽德罗常数的数值为6.02214082×1023，相对误差低至30×10-9，由此换算得到的普朗克常数与NPL瓦特秤的结果相吻合，但与NIST的结果不一致。

　　2010年，普朗克常数的推荐值是6.62606957×10-34J·s，相对误差44×10-9。有人认为，这已经足以用于千克的重新定义了，但也有更挑剔的人坚持要等各种测量结果吻合得更好一些、测量误差范围缩小到20×10-9以下，才可以重新定义。

　　那可要等上好一阵子，普拉特说：“这些测量都很难，这就是我们要面对的。”