人類剛剛做出了一個重大決定。 週五，60 多個國家的代表齊聚法國凡爾賽，並批准了公斤的新定義。
自 19 世紀以來，科學家們對質量基本單位的定義是基於一個物理物體——一個閃亮的鉑銥圓柱體，存放在法國塞夫爾國際計量局 (BIPM) 內部上鎖的金庫中。
一公斤等於這塊老化金屬的重量，而根據定義，這個圓柱體的重量剛好是一公斤。 如果圓柱體發生變化，即使是一點點，那麼整個全球測量系統也必須改變。
透過週五的投票，科學家們重新定義了21 世紀的公斤，將其與宇宙的一個基本特徵聯繫起來——量子物理學中一個微小而奇怪的數字，稱為普朗克常數，它描述了可能的最小能量單位。
由於阿爾伯特·愛因斯坦揭示了能量和質量是相關的，準確地確定該單位中有多少能量可以讓科學家根據普朗克常數定義質量——這個值應該跨越空間和時間——而不是依賴不穩定的金屬圓柱。 （質量決定了物體的重量，並且在大多數情況下，質量和重量是可以互換的。）
重新定義的結果是長達數十年的, 全世界範圍內的追求測量普朗克常數足夠精確，該數字將經得起科學檢驗。
儘管新定義的公斤不會影響您的浴室秤，但它將在依賴精確測量的研究和行業中實際應用。
週五的投票主要是一種形式； 所有相關人員都知道該決議將會通過。 但對於這項全球努力的領導者之一喬恩·普拉特來說，這一事件不僅具有像徵意義，比商業更重要，甚至超越了物理學。
普拉特說，在這個充滿暴力和尖酸刻薄的時代，人們似乎很難達成共識，但重新定義代表了某種崇高的東西。
這是對一個永恆真理的承認──自然有我們所有人必須遵守的法則。 這是朝著崇高夢想又邁出了一步——透過理解自然法則，科學家可以幫助建立一個更美好的世界。
科學家不好意思地笑了笑。 “這是一個激動人心的時刻，”他說。 “我真的為我們的物種感到自豪。”
NIST 的半公斤標準與 NIST 的瓦特平衡（Salwan Georges/華盛頓郵報）
留下“Le Grand K”
在普拉特工作的馬裡蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所 (NIST)，測量經常被描述為現代世界的「隱形基礎設施」。 一個人所做的每一件事——無論是檢查時鐘、預測天氣、做飯、製造火箭、簽訂合約、發動戰爭——都需要某種測量。
國際單位制 (SI) 使我們能夠在全球範圍內交流測量結果。 這個制度起源於啟蒙運動的鼎盛時期，旨在結束關於英國弗隆中西班牙瓦拉數量的爭論，並緩解在荷蘭購買商品的商人的焦慮。將其銷往法國，在法國，重量與小麥粒的重量掛鉤。
這個系統創建者之一的座右銘是“為所有時代、為所有人”，這是普拉特最喜歡的短語之一。
「這是一個非常樂觀的觀點，」普拉特說。 “他只是想像這項科學事業……將成為自由的強大力量，推動世界前進的強大力量。”
1875年，《米製條約》的簽署使該系統正式成立。 鍛造了兩個鉑和銥原型——一根一米長的棒和一個公斤質量的圓柱體——作為全世界的標準單位。 BIPM 將每個原型的副本分發給簽署國； 有百年歷史的美國國家公斤至今仍保存在普拉特實驗室大廳下一間上鎖房間的玻璃櫃中。
隨著科學和商業的進步，國際單位制擴展到包括其他類型的測量單位，並且定義也進行了修訂，以實現越來越高的精度。 儀表原型被拋棄，轉而支持光在真空中在一 299,792,458 秒內傳播的距離。 一秒的長度與銫元素的輻射週期掛鉤。
這些值——光速、原子行為、電磁學本質——是自然的基本特徵，無論觀察者是在地球上還是在地球上，這些值都不會改變。，無論是 1875 年或 2018 年。
但被稱為「Le Grand K」的公斤級原型是由人類製造的，並且受到我們所有的限制。
它無法進入——裝有圓筒的保險箱只能由三名保管員攜帶三把不同的鑰匙打開，這種情況在該物體 139 年的歷史中發生過不到十幾次。
而且這是不一致的——當 Le Grand K 在 20 世紀 80 年代進行檢查時，它的重量比預期的少了幾微克。
這意味著任何根據該標準生產產品的人都必須重新發布其重量。 製造商非常憤怒。 立法者被召集。 研究測量的計量學家被指責無能。
因此，在 BIPM 2014 年的一次會議上，計量界決定重新定義公斤。 但普朗克常數的數值仍然不確定，沒有它科學家就無法重新定義公斤。
“追求完美”
自從量子物理學家馬克斯·普朗克發現能量以離散單位表示——也就是說，它是「量子化的」以來，已經過去了 100 多年。 但他的常數——描述這些能量包大小的數字——很難確定。
只有兩種實驗裝置可以讓科學家計算這個數字，而且都需要稀有且昂貴的工具。
一種技術涉及計算完美圓形矽球中的所有原子。
第二種選擇使用稱為瓦特天平的極其精確的稱重機，它透過計算舉起物體所需的力來測量物體的質量。
喬恩普拉特 (Jon Pratt) 與 NIST 的瓦特平衡儀器。 （薩爾萬喬治/華盛頓郵報）
這不是普通的規模； 兩位英國科學家花了幾十年的時間發明和改進了該儀器，世界上只有兩台儀器的功能足以滿足 BIPM 的高精確度標準。
一個在加拿大。 另一個位於 NIST 地下室普拉特實驗室內。
「這確實是一件漂亮的儀器，」普拉特本週參觀存放天平的鋼製房間時說道。 “我喜歡來這裡凝視它。”
這台巨大的金屬機器花了五年時間建造而成，它和職業籃球運動員一樣高，像迪斯科球一樣閃亮，配有一個碳化鎢支點，擺輪鉸接在其上，還有一個一噸重的磁鐵，有助於產生力量。 進行實驗時，整個天平被放置在真空室內。
任何操作儀器的人都必須戴髮網、穿著實驗室外套和靴子。 普拉特和他的同事測量了所有可能影響結果的因素，從房間的溫度到地球引力的強度。
「從物理學意義上來說，我們真的在追求完美，」普拉特說。 “我們確實需要事物表現得像理想化版本一樣。”
2014 年的決議要求至少有一種儀器需要計算普朗克常數，其不確定度僅為十億分之 20，即與被認為正確數字的 0.000002% 以內。
2017年6月30日，也就是向BIPM度量衡委員會提交數值截止日期的前一天，普拉特和他的團隊終於公佈了符合這項標準的結果。
普朗克常數等於 6.626069934 x 10-34公斤·米2/s，他們說。 他們的不確定性僅為十億分之十三。
對於不經意的觀察者來說，這個數字可能很難理解。 但對普拉特來說，測量它的感覺就像宇宙的帷幕被拉開了，揭示了宇宙最內部的運作方式。
在一個不起眼的聯邦機構的地下室裡，他和他的一群戴著髮網的書呆子已經達到了人類有史以來最接近的完美標準。
他們超越了人類的偏見和世俗的缺陷，做出瞭如此精確的觀察，它將「適用於所有時代和所有人」——或者至少，直到有一天，科學家們能夠拉開另一層帷幕，消除另一層帷幕。
普拉特和他的同事並不是唯一在過去十年中花費大部分時間來追求普朗克常數的科學家。
加拿大的研究人員使用瓦特天平實現了測量，其不確定性甚至比 NIST 的測量值還要小。 德國和日本的團隊使用矽球技術進行了類似的精確測量。
但並非所有測量結果都一致。 在計量界，職業生涯可能賭在對小數點的狡辯上，這種差異可能是災難性的。
「大家都支支吾吾，甚至一度有人質疑〔投票〕是否會發生，」普拉特說。
但這場辯論也是這個過程的重要組成部分。 只有經過反覆觀察、反駁和證實，一個想法才能成為全球公認的事實。 這就是科學比科學家更偉大的原因； 這就是我們如何確定某件事是真的。
儘管如此，普拉特並沒有等到辯論結束，就把 NIST 對普朗克常數的數值紋在了他的前臂上——這個 10 位數字和一個抓著米桿和公斤圓柱體的雕像的插圖。
在它上面，用法語寫著從一開始就指導計量學家的文字：對於所有時代，對於所有人民。
對於所有時代，對於所有人。
2018 ©華盛頓郵報
本文原刊於華盛頓郵報。
