国际标准单位的由来（第五部分）：备受争议的千克

本周，山姆·基恩 (Sam Kean) 研究了一些极其精确的标准——米、秒和其他国际标准单位——以及这些元素在长期以来定义、重新定义和重新定义它们中所发挥的作用。

千克确实让计量学家难以接受。公制七个基本单位中有六个都有“操作性”定义——你可以纯粹用文字来定义它们，通过描述产生精确一米或其他东西的物理过程。但千克一直抵制所有以这种方式定义的尝试。

这就像一种人人皆知、人人共享却无法准确表达的感觉。相反，千克是最后一个仍与人类器物绑定的公制标准。

那件文物就是千克——一个位于巴黎的两英寸宽、90% 为铂、10% 为铱的圆柱体。按照规定，它的质量正好是 1.000000… 千克，而且它的存在相当受宠。因为千克是一个物理对象，因此易损坏，而且千克的定义应该保持不变，所以负责照管它的科学家必须确保它永远不会被划伤，永远不会吸引一粒灰尘，永远不会丢失（他们希望！）一个原子。因为如果发生任何上述情况，它的质量可能会飙升至 1.000000…1 千克或骤降至 0.999999…9 千克，而仅仅是这种可能性就会让计量学家感到胃痛。

因此，就像有恐惧症的母亲一样，科学家们不断监测千克原子核的温度和周围的压力，以防止微观膨胀和收缩，这种压力可能会导致原子脱落。它还被包裹在三个依次变小的钟罩内，以防止湿气在表面凝结并留下纳米级薄膜。千克原子核由致密的铂和铱制成，以尽量减少其暴露在令人无法接受的肮脏空气（如我们所呼吸的空气）中的表面积。铂还具有良好的导电性，这减少了可能摧毁杂散原子的“寄生”静电（科学家的说法）的积累。

其他国家都有自己官方的 1.000000... 千克圆柱体，所以他们不必每次想要精确测量某个东西时都飞往巴黎。但由于千克是唯一标准，因此每个国家的仿制品都必须定期与之进行比较。NIST 质量与力团队负责人 Zeina Jabbour 表示，美国的官方千克圆柱体名为 K20（第二十个官方仿制品），位于马里兰州郊区的一座政府大楼内，自 2000 年以来仅校准过一次，现在该进行另一次校准了。但校准是一个长达数月的过程，而且自 2001 年以来的安全法规使乘坐 K20 飞往巴黎变得很麻烦。“我们必须随身携带千克圆柱体飞行，”Jabbour 解释说，“而且很难带着一块金属块通过安检和海关，而且还要告诉人们不能触摸它。”她表示，即使在“尘土飞扬的机场”打开 K20 的定制行李箱也可能会损坏它，“如果有人坚持要碰它，那么校准就结束了。”

通常，国际计量局会使用六份千克官方复制品中的一份（仅放在两个钟罩下）来校准仿制品。但官方复制品必须根据其自己的标准进行测量，因此每隔几年，科学家就会从其保险库中取出千克（当然，要用钳子夹住，戴上乳胶手套，以免留下污渍——但不能戴粉状手套，因为那样会留下残留物——哦，不要握得太久，因为人的体温可能会使它升温并毁掉一切）并校准校准器。

然而，令人担忧的是，科学家们在 20 世纪 90 年代的校准过程中发现，即使考虑到人们触摸时会脱落的原子，千克在过去几十年中也损失了相当于指纹质量的额外质量，每年损失半微克。没有人知道原因。

千克无法保持恒定，这重新引发了人们对千克操作性定义的兴趣。一些选择，如计数原子，目前过于复杂，无法成功。但最近几周，德国科学家宣布，他们计算出了纯硅球中原子数量的很大一部分，并认为他们可以做得更好。（该团队通过使用激光非常精确地测量球体的体积，然后计算单个原子的体积来做到这一点。）另一个有希望的想法是使用瓦特天平，它可以测量将质量为 1.000 千克的东西悬浮在空中需要多少电量。

如果任何一种方案都成功了，千克最终将获得永垂不朽的地位，并可以加入其他虚无缥缈的测量标准的殿堂。每一位痴迷于巴黎那个被宠坏的圆柱体的科学家最幸福的梦想——让它过时——终于实现了。

萨姆·基恩 (Sam Kean) 是《消失的勺子》一书的作者，该书收录了隐藏在元素周期表中的有趣而奇特的故事。