没有。 12 公斤的定义发生变化！终极精密测量创造科学“标准”

我想知道如果重量和长度的单位因地区而异，世界会是什么样子。很久以前，当船舶因国家而异时，邻国的造船工匠共同建造木船。有一个有趣的故事，讲的是当一艘木船被放到海上时，它就解体了。

1875年全球17个国家签署的《米制公约》，将诞生于法国的公制制度传播到全世界，是前人的智慧，避免了这样的悲剧再次发生。为了获得对世界的理解而不是国家的利益，我们决定以所有人都能接受的自然物体作为标准。为了确定长度，我们测量了从赤道到北极的子午线距离，确定该距离的百万分之一为 1 米，并制作了一根量尺。 1升水的质量是1公斤。然后他用实用的铂金重量代替了那一公斤。

1889 年，为了创造出质量更难以改变的东西，采用了当时最好的冶金技术创造了它，并且至今仍被用作称为“国际原型公斤”的标准。它由 90% 铂和 10% 铱的合金制成。世界上所有的质量都与这个原型有关。如果你追溯升入太空的火箭的起源、药物的制备，当然还有你所站的秤，你会发现这个原型。

“国际公斤原型”的副本也分发给了日本，该国于 1885 年加入了米制公约。现在世界上有近 100 个副本，其中 3 个在日本，保存在日本国立先进工业科学技术研究所。修改一公斤定义的运动目前已进入最后阶段。我想知道这个修改后的“科学家50年梦想将实现”的定义意味着什么。为什么需要修改？考察队看望了关键人物。

发布于 2018 年 3 月 22 日
中川隆雄的采访和文字

严格保存“主像”

此人是米乐m6官方网站计量中心主任、国际度量衡委员会委员的臼田隆。他是一位绅士，声音低沉，听起来安静。

“国际度量衡大会定于今年 11 月举行。如果会议通过决议，‘国际原型千克’将最终结束其定义作用。一旦决定，新定义将从明年 5 月开始。”

来自世界各地的国际度量衡委员会的 18 名成员计划通过一项修订决议。薄田先生自 2012 年以来一直担任该委员会的成员。薄田先生将我介绍给坐在我旁边的另一位先生。

“在我担任委员会成员之前，田中先生曾在委员会任职。他是启动国际修订项目的关键人物。”

田中满现在是米乐m6官方网站的研究顾问，他是一项旨在进行具体修订的国际项目启动的核心人物。他的声音也很平静。我想知道有说服力的声音是否是聚集大量人员的必要因素。

“如果你回顾一下，第一次关于这一修订的报告是在1965年的国际会议上。当我加入AIST时，它已经开始了。英国、德国和美国是最先举手的，我们日本也紧随其后。”

修正了科学家们花费了半个多世纪的时间所追求的定义。它的重量是多少？

“质量的定义是基于1889年创建的国际千克原形。可以说，它是主要图像。如果它被破坏或丢失，千克就没有基础了。例如，“长度”的定义是光在时间上传播的距离。它于1983年进行了修订。由于光速是普遍存在的，因此该定义也具有普遍确定性。在至此，1米的量尺已经结束了它的作用。然而，公斤却一直以重量的形式存在了近130年。”

主像供奉于法国巴黎郊区的国际计量局。它呈圆柱形，直径和高度约为39毫米，重量为1公斤。除了国际度量衡专员之外，见过的人恐怕就只有这里的工作人员了。对待它就像对待隐藏的佛一样。

“每年一次，委员会成员会打开门确认是否存在。门上有三把锁，每把钥匙都由不同的人持有，因此即使是国际计量局的工作人员也无法在未经许可的情况下打开它。它受到严格控制。” （臼田先生）

它的独立性意味着即使是法国当局也不能未经许可进入。过去，即使外国特使死在这里，未经本国允许，他的尸体也不能运走。即使二战期间纳粹德国入侵法国，他们也从未进入过该地区。这表明崇拜的主要形象已被视为世界的共同财产。

不稳定的公斤原型

然而，主图像发生了微妙的变化。其含量约为50微克。据说是百万分之 5/100 千克。

不，请稍等。御本尊是绝对的存在，那么如何判断它是减重了还是增重了呢？

“当我们创建主像时，我们同时创建了六个兄弟姐妹，并将他们放在同一个地方。当我们将这六个人与主像进行比较时，我们发现存在差异。” （臼田先生）

我们如何比较这么小的差异？

“我们使用天平。这个天平的精度是百亿分之一，这当然是世界上最好的。”

啊，平衡。这让我想起了小学的科学室。使用镊子将约 10 克的重物放在小板上。我记得我的老师严格告诉我永远不要用手指触摸重物，只能用镊子夹住重物。

``就像一个指纹含有50微克油脂一样。看起来有大约相同量的变化。当然，用手指不可能触摸到主图像，因此测量时进行的清洁可能会产生影响。''（田中先生）

主图减肥了吗？

“我们不知道它是否减少了。可能其他六张都增加了。问题的本质是主像的不稳定。即使比较有差异，也无法确定哪一个是正确的。我们不知道1公斤的绝对值。按照世界惯例，这个主像的重量被确定为1公斤。” （臼田先生）

千克作为物理物体之所以持续了近130年，是因为它是物理物体，所以可以制作副本并分发到世界各地。每个国家的原型都附有注释，例如主图像的 10 微克 + 或 -。大约每 30 年一次，它会被带到巴黎郊区的国际计量局，在那里测量其重量并与主图像进行比较。从某种意义上说，我们已经能够使用模拟方法做极其精确的事情。此次修改的目的是提高公斤级的稳定性。

“随着科学的进步，人们对精确度的要求越来越高，国际千克原器的稳定性也变得不尽如人意。小数值，比如纳米技术，大数值，比如行星的重量，都是以这1千克为基础的。无论是小还是大，离这个标准值越远，误差就越大。” （臼田）

“另一方面，也存在更改定义所需的精度太高的困难。改变 130 年来只改变了 5/100 百万的东西需要更高的精度和稳定性。”（田中）

我们必须创建一个与现有国际千克原型紧密匹配的定义，而不是从零开始定义 1 千克。世界各地的标准已经确定了这一公斤。如果从明天开始每个人的剂量增加 1%，世界就会戛然而止，一动不动。

“这一次，我们决定将主图像从铂铱改为硅材质。提高硅纯度的技术已经进步，测量和分析的精度也得到了提高。此外，电力测量技术的精度也得到了显着提高。可以说，正是凭借这样的综合实力，我们才能够改变定义。” （田中先生）

世界上最圆的球体

正如田中先生所介绍的，使用新的质量定义创造的东西是由硅制成的。这是用于计算机等电子产品的半导体硅。该方法使用单晶硅来计算稳定排列的原子数量。

我只是说如果人类计算原子的数量的话，计算原子的数量需要数万年甚至更长时间。打个比方，这就像把一个篮球扔进一个地球大小的球体中，然后数一下里面装了多少个球。

这就是硅单晶发挥作用的地方，原子稳定排列。该球体的尺寸经过精确测量，原子数量由其体积确定。使用这种方法定义千克的国际项目于 2004 年启动。

先生米乐m6官方网站和计量中心的臼田和其他质量、温度和电测量首席研究员为该项目提供了支持。

“这是一项国际项目，因为它不能由任何一个国家决定。公斤的新定义是根据2011年至2017年报告的8个测量数据确定的，其中日本贡献了其中4个。这是一个非常令人满意的结果。”（臼田先生）

超高精度激光干涉仪和表面分析系统用于测量。研究人员表示，他们从 2000 个方向测量了一个直径约为 94 毫米的单晶硅球。

“直径的测量精度为一个原子。原晶体在德国使用与制造俄罗斯氢弹相同的离心机制成单晶，将同位素纯度提高到9999%。原件重 5 公斤，我们用它制作了两个 1 公斤的球体。光是材料成本就达到每公斤1亿日元（笑）”（臼田先生）

主像是圆柱体，但这个硅单晶却是球体。这是因为球体可以进行更精确的体积测量。在激光干涉仪内部，该球体自动旋转并从 2,000 个位置测量其直径。据说这是他见过的最光滑的球体。凹凸的长度约为100个原子。即使将这个球体扩大到地球那么大，凹凸不平也在10米之内。宇宙中哪里有一颗像地球那么大的星球，各地的高度没有10米的差别？

“硅会热膨胀，因此为了测量一个原子之间的距离，必须在真空中以 1/10,000 的精度控制温度。AIST 的专业温度部门也参与其中，”Usuda 补充道。

此外，除了测量体积的方法之外，电气测量技术也很重要。

“非常粗略地说，这就像用电磁铁举起重物时通过电流来测量质量一样。1 公斤是通过电量产生的力来确定的。量化电量技术的改进也做出了贡献。” （臼田先生）

米乐m6官方网站对极微小的电流进行研究。这些研究也极大地促进了当前定义的修订。

“标准是无法进一步细化的东西。这是理想的单位。电流的定义也计划修改，但标准将是每个电子的电荷量。这最终成为理想的定义。” （臼田先生）

创建米制公约时，唯一的单位是长度（米）和质量（千克）。然后，添加电流（安培）、时间（秒）、热力学温度（开尔文）、发光强度（坎德拉）和物质的量（摩尔）。这一次，质量、电流、温度和物质的量都将被重新定义。

据我们目前所知，各种测量技术的改进使这一切成为可能。

单位更改时会发生什么！ ？

顺便问一下，如果修改通过，巴黎的主图会怎样？

“虽然我们将摆脱作为唯一定义的沉重责任，但继续像以前一样测量事物的意义并没有减弱。它真的变得更轻了吗？在未来100年继续测量它是有意义的。”

那么，明年五月，即定义修订之日，我们的日常生活将会发生哪些变化？臼田先生微笑着回答道。

“在那一刻，一切都没有改变。事实上，如果改变了就会出现问题。”

当然，如果公斤数发生微小变化，也会出现问题。最正确的修订是没有任何变化并且没有人注意到的修订。

然而，科学世界将会发生变化。

“当长度的定义被修改后，激光等工具就可以用于测量。这有助于纳米技术的实现，我认为在质量方面也会出现类似的情况。好吧，我认为药物发现将成为一个目标。随着技术的进步，总会有人将其用于商业目的。” （臼田）

事实上，可以测量原子间距离的激光干涉仪不需要与测量硅单晶相同的精度，但它们已经收到了光学制造商和其他公司的合作研究邀请。

先生田中通过材料物理研究进入计量领域，一直受到工业界的依赖，并为响应这一需求的使命感感到高兴。

“当它实际应用于工业时，人们会欣赏它。您可以在称重世界中体验支持它的乐趣，”田中说。

``有些科学家和工程师认为测量就像水或空气，数字以数字方式显示。然而，测量本身也有一些有趣的地方。正如田中先生所说，这是一种使命。有些领域，如再生医学，需要一次性引进人员来推进研究，但也有些领域，我们目前在世界上只需要 10 个人。但这 10 个人是绝对必要的。”（臼田先生）

130 年前制造的微型铂铱圆柱体已被更大、光滑的硅球所取代。不过，近100份也没有必要。

“据说世界音乐市场只需10个一流的独奏家就可以组成。即使多了，大厅也填不满。如果你想享受一般的音乐，只需要一个音乐学院毕业的钢琴老师即可。就像这样，我们不需要那么多具有独奏家能力的球形硅胶。” （臼田）

为什么要进行单元修订

波动约五分之一的“国际公斤原型”将通过新的定义变得绝对化。这就是本次修订的目的。 “我相信，在当前的物理学中没有什么比这更精确的了，”臼田说。

只需更改定义即可使千克的实际情况保持不变。在那一刻，我们的生活不会发生任何改变。田中先生和臼田先生已经接受了在不改变的情况下改变事物的困难性。

“对于修订，各个国家的认识存在差异。德国认为修订定义是人类的崇高使命。当然，从国家安全的角度来看，美国会积极参与。正如互联网最初是为了让总部在核战争中被摧毁后留下的基地能够相互通信而开发的系统一样，我们不会依赖其他国家的单位标准。” （臼田）

“然而，在日本，当我们启动该项目时，我们首先很难弄清楚如何向经济产业省解释其必要性。” （田中先生）

日本倾向于首先寻求短期回报。

“科学在哲学意义上的价值。以及与之相反的战略上的枯燥。我觉得两者都很弱。” （臼田先生）

日本的技术如此之高，在全球测量的八个数字中，日本占了四个。这得到了科学家和工程师的支持。科学杂志《自然》曾将千克定义的修订列为物理学中最困难的五个挑战之一，与引力波的探测并列。毕竟，田中先生和薄田先生等人的目标是超过五分之一亿的精度，并且实现了超越御本尊的稳定性。这是明治时代以来日本首次参与国际单位制修订。

硅球没有坐在门后面代替主图像。质量由称为普朗克常数的物理常数定义。只要有技术，任何地方都可以实现。不过，目前只有日本、德国、美国、加拿大拥有这项技术。修改后的定义并没有改变外观。然而，在幕后，当时最好的技术被投入使用。

先生臼田小声强调道。

“终极测量为人类带来了新知识。支持它的‘单位’就是科学本身。”