在一个需要三把钥匙打开的拱顶里，在巴黎西南部的塞夫尔镇，有一公斤。其实，这是千克，千克的国际原型（IPK），对所有其他公斤必须采取自己的措施，公斤的Le Grandķ。这个铂 - 铱合金圆柱体位于三个保护玻璃钟下，在温度和湿度受控的环境中，在Sèvres地下拱顶的保险箱中以及六个正式副本。
“如果你放弃它，它仍然只有一公斤，但整个世界的质量都会发生变化，”马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家Stephan Schlamminger说。
IPK每40年左右就会从它的保险库中出现，当高尔夫球大小的锭（自1889年以来按照定义精确地一公斤）用于校准与世界各国共享的副本时。但有一个问题。在与IPK的金库中有六个témoins，或“见证人” - 官方副本。多年来，正如Le Grand K及其证人的罕见情况所证明的那样，IPK的质量已经“漂移”。
现在，大多数证人的体重略高于微克，或者说是百万分之一克 - 而不是IPK（虽然许多副本的开头数量都比较大）。你可以说IPK正在减少质量，只有你不能这么说，因为IPK是不可变的且毫不动摇的一公斤。此外，物理学家甚至不知道IPK从长远来看是否正在减少质量或增加质量，只是由于从空气中聚集的不可察觉的材料量，或在称重过程中被擦掉或在在其细致的浴室中，IPK的银色表面。
可以想象，这种微小的漂移会给科学家带来很多麻烦 - 更不用说依赖于小而精确的质量测量的行业，例如制药公司。
“目前，千克是根据特定物质的质量来定义的，”伦敦南部国家物理实验室（NPL）的伊恩·罗宾逊说。“如果那件事被破坏或改变或其他什么，那就太尴尬了。”
幸运的是，世界上的计量学家有一个解决方案：用自然的，通用的常数重新定义千克。国际单位制（SI）中的大多数单位已经根据通用常数来定义，例如仪表，其正式是在真空中以1 / 299,792,458秒的速度行进的光速。当然，这个定义依赖于第二个定义，它被定义为特定频率的电磁辐射（在这种情况下是微波）的9,192,631,770个周期的持续时间，它导致铯-133原子的外电子转变（从量子转换）测量“旋转”到“旋转”，反之亦然）。
但是千克，一个神器定义的最后一个单位，已经顽固地*制抵**重新定义 - 直到现在。11月16日，在度量衡大会第26次会议上，来自60个成员国的代表将聚集在塞夫勒，根据普朗克的常数投票重新定义千克 - 一个与光波频率相关的数字。那波中的光子能量。根据国际度量衡局（BIPM）的物理学家理查德戴维斯的说法，“他们预计会占绝大多数。”
马克斯普朗克和阿尔伯特爱因斯坦
1879年，IPK由贵金属公司庄信万事在伦敦投下，20岁的马克斯普朗克为他的论文“热力学第二定律”辩护，阿尔伯特爱因斯坦诞生了。虽然这两位科学家在他们的生命历程中并不了解它，但他们在引力和量子力学基础物理学方面的集体工作将为21世纪公斤定义奠定基础。
那么普朗克的常数是什么？“从根本上讲，很难说，”戴维斯说。
普朗克常数是一个非常小的数字：6.62607015 x 10 -34，确切地说，将在11月16日的会议上正式定义。1900年，马克斯普朗克计算了这个数字，以拟合来自恒星的光模型，将恒星的能量和温度与其电磁辐射光谱（统称为黑体辐射）相匹配。当时，实验数据表明，能量不是以任何值自由流动，而是包含在束或量子中 - 量子力学以其名字命名 - 而普朗克需要计算这些束的值以适合他的黑体辐射模型。
五年后，爱因斯坦发表了他的狭义相对论的理论，这将逐渐被表示为著名的方程式E = MC 2 （能量等于质量乘以光速的平方，一种顿悟，能源是一切从根本上约束了宇宙问题）。他还计算了单个基本电磁能量的理论值 - 现在称为光子 - 导致普朗克 - 爱因斯坦关系，E = h v 。该等式表明光子的能量（E）等于普朗克常数（h）乘以电磁辐射的频率（v，即希腊符号nu 而不是“v”）。
但这并不是普朗克常数出现的唯一地方。需要该数量来描述太阳能电池所基于的光电效应。它也用于Niels Bohr的原子模型，它甚至出现在海森堡不确定性原理中。
“就像说，那么Pi怎么样？”戴维斯说。“什么是Pi？嗯，这是圆的圆周除以圆的直径。但随后Pi在数学中无处不在。到处都是。“
将普朗克常数与千克连接起来的关键是它的单位，即焦耳秒或J·s。常数得到这个独特的单位，因为能量是以焦耳为单位测量的，频率是以赫兹（Hz）或每秒周期数来测量的。焦耳等于千克乘以平方米除以秒平方（kg·m 2 / s 2），因此通过一些巧妙的测量和计算，可以得到千克。
但在你说服世界改变标准质量单位的定义之前，你的测量值最好是科学史上最好的。正如纽厄尔所说，“衡量一些绝对的东西真是太难了。”
衡量尺度
我们经常理所当然地认为第二秒是一米，或一米一米。但是对于人类历史的大部分时间来说，这种时间，长度和质量的测量是相当随意的，根据当地习俗或统治者的想法来定义。国家测量必须标准化的首批法令之一来自1215年的大宪章，其中指出：
“让整个王国有一种葡萄酒衡量标准，一种衡量啤酒的措施，一种衡量玉米的标准，即”伦敦25美分硬币”; 布料的一个宽度，无论是染色，赤褐色还是戟，即织边内的两个幔子。让权重与措施相同。“
但是在启蒙运动之后，随着科学家们开始解开宇宙的物理限制，很明显，不同的衡量标准对物种的进步造成了严重的阻碍。科学家们在18世纪和19世纪遍布全球，测量从地球的精确形状到太阳距离的所有内容 - 每次德国的lachter（大约两米，取决于地区）都必须与英语进行比较院子里面（它的大部分存在也各不相同），不确定性和错误的沟通很多。
第一个仪表标准的副本，密封在巴黎Rue de Vaugirard 36号楼的基础上。 （Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0）
法国终于有了一场革命 - 不仅是政治，还有措施。随着18世纪即将结束，法国王国估计有大约25万个不同的单位，因此无法全部跟踪它们。在法国大革命开始时形成的全国制宪会议的推动下，法国科学院开始建立一个新的长度单位，该单位将成为该国的官方措施：计量表，定义为千万分之一从北极到赤道的距离。
由法国数学家和天文学家Jean Baptiste Joseph Delambre和PierreMéchain领导的一次测量探险队对该长度的一部分进行了三角测量，从敦刻尔克一直延伸到巴塞罗那，以便计算新仪表。调查测量结果于1798年完成，新标准很快在法国采用。
仪表代表了一个基本的测量单位，定义了升（1000立方厘米）甚至千克（一升水的质量）。到1875年，世界准备采用公制系统，当年的公约会议上有17个国家的代表签署了“计量条约”，创建了国际度量衡局，并提供了新的质量和长度标准。采用铂 - 铱合金铸造，为世界定义了仪表和千克。
但是，随着普朗克和爱因斯坦这样的20世纪科学家开始在牛顿物理结构中捅戳和刺激，在宇宙的浩瀚和原子的基本原理中发现新的定律，需要相应地更新测量系统。 。到1960年，国际单位制（SI）出版，世界各国建立了计量机构，不断完善我们七个基本计量单位的官方定义：米（长度），千克（质量），秒（时间） ），安培（电流），开尔文（温度），摩尔（物质的量）和坎德拉（发光度）。
纯硅-28原子的Avogadro球体。通过测量球体的体积和单个硅-28原子的体积，气象学家可以测量球体中单个原子的质量，提供一种计算痣中原子数的方法，称为阿伏加德罗数，用于计算普朗克常数。 （照片由BIPM提供）
从这些基本单位，可以计算所有其他单位。速度以米/秒为单位测量，可以转换为英里/小时和其他速度; 电压以电流安培和电阻（欧姆）表示; 现在院子的定义与一米的0.9144成比例。
今天，与18世纪一样，改进这种测量的问题处于科学能力的最前沿。虽然重新定义千克不太可能改变您的日常生活，但定义更准确的测量系统的最终效果往往是广泛而深刻的。
举个例子，第二个。自1967年以来，第二个定义基于微波激光的频率，如果没有这种精度，GPS技术将是不可能的。每颗GPS卫星都带有一个原子钟，这对于纠正我们的卫星在高速绕地球运行时无限小但速度明显慢的事实至关重要- 这是爱因斯坦相对论预测的结果。如果没有新的定义，我们无法纠正这些微小的瞬间，随着它们的发展，GPS测量会越走越远，从谷歌地图到GPS制导*药弹**的一切都只是科幻小说。
第二个与GPS之间的关系揭示了计量学和科学的基本结合：推进研究需要并允许新的衡量标准，而这些新的衡量标准反过来允许更先进的研究。这个循环最终会使我们的物种不明，但是在仪表棒死亡和放弃第二天之后，有一件事是清楚的：IPK接下来是断头台。
NIST-4 Kibble天平，由美国国家标准与技术研究院运营。与早期的Kibble天平不同，NIST-4使用的是一个平衡轮，它的作用就像滑轮而不是横梁。余额测得普朗克的常数在13亿分之十的不确定性范围内。 （Jennifer Lauren Lee / NIST）
几十年来，物理学家已经知道千克可以根据普朗克常数来定义，但直到最近，计量学的发展还不足以以如此精确的方式测量数量，以至于世界将接受新的定义。到2005年，来自NIST，NPL和BIPM的一群科学家，Newell称之为“五人帮”，开始推动这一问题。他们关于这个问题的论文的标题是“ 公斤重新定义：时间已到的决定”。
“我认为这是一篇里程碑式的论文，”纽厄尔说。“这非常具有挑衅性 - 令人生气。”
测量本文中确定的普朗克常数的关键技术之一是瓦特平衡，最初由布莱恩基布尔于1975年在NPL概念化。（在2016年去世后，瓦特平衡被重新命名为布莱恩基布尔的Kibble平衡。）
从根本上讲，Kibble平衡是一项可追溯到4000多年前的技术演变：平衡尺度。但是，不是将一个物体与另一个物体进行称重来比较两者，而是使用Kibble平衡器，物理学家可以将质量与支撑物体所需的电磁力量进行比较。
“平衡的作用是通过在强磁场中通过线圈产生电流，并产生力，你可以用这种力来平衡质量的重量，”NPL的伊恩·罗宾逊说，他与布莱恩·基布尔合作过第一瓦特从1976年开始平衡。
天平以两种模式运行。第一种称重或力模式使质量与相等的电磁力平衡。第二种模式，速度或校准模式，使用电机在磁体之间移动线圈，而质量不在天平上，产生电压，使您获得表示为电力的磁场强度。结果，称重模式中质量的力等于速度模式中产生的电力。
然后，由于两位诺贝尔物理学家Brian Josephson和Klaus von Klitzing的工作，电力可以作为普朗克常数的函数来计算。1962年，Josephson描述了与电压有关的量子电效应，von Klitzing在1980年揭示了电阻的量子效应。这两个发现使得有可能用量子测量来计算Kibble平衡的电力（使用普朗克常数）反过来，相当于一公斤的质量。
除了Kibble平衡之外，“五人帮”论文还提出了另一种计算普朗克常数的方法 - 通过制作几乎纯硅-28原子的球体，这是人类创造的最完美的圆形物体。可以测量球体中单个原子的体积和质量，这允许计量学家和化学家改进阿伏加德罗常数（实体的数量是1摩尔），并且从阿伏加德罗的数字，可以通过已知的方程计算普朗克的数量。
“你需要两种方法来做到这一点，这样你才能确信单一方法中没有隐藏的问题，”罗宾逊说。
NIST的白板解释了Kibble天平如何将机械测量（千克质量的重量）等同于电气测量（保持千克所需的电流力，表示为普朗克常数的函数）。 （Jay Bennett）
为了重新定义公斤，改变将在2019年5月20日，重量和测量大会要求至少进行三次实验，以计算普朗克常数至不超过50十亿分之一的不确定性，其中一个必须将价值计算在20亿分之二的不确定性范围内。国际硅球的努力已经足够精确，只能达到10亿分之十的不确定性，而四个Kibble平衡测量也产生了所需不确定度内的值。
由于所有这些措施，远远超过公斤即将改变。
新的国际单位制
除了重新定义千克之外，计量大会第26次会议（CGPM）正在为普朗克常数设定一个固定值，因此，自1960年成立以来，制定了国际单位制的最大转变。以前，普朗克的常数是不断测量的，与世界各地的其他测量值平均，并且每隔几年就会向研究机构提供一系列新值。
戴维斯说：“一旦这个[投票]过去，没有人会测量普朗克常数，因为它的价值已被定义。”
除普朗克常数外，阿伏加德常数将设定为固定值，基本电荷（e，一个质子的电荷）和水的三相点（水可以作为固体存在的温度） ，液体或气体，定义为273.16开氏度，或0.01℃）。
通过将普朗克常数设置为绝对值，科学家们正在远离传统的机械测量并采用一套量子电测量来定义我们的基本单位。一旦定义了常数，它就可以用来计算从原子水平到宇宙水平的质量范围，从而需要将IPK缩小为更小的可测量部分，或者达到巨大的质量。
“如果你有一件神器，你只能在一点上锚定你的音阶，”Schlamminger说。“而基本常数并不关心规模。”
普朗克常数的新值也改变了我们的电气单位的定义，例如1948年的安培定义。物理学家长期以来一直使用Josephson和von Klitzing效应来精确计算电气值，但这些测量结果不能成为SI的一部分，直到它们的一个变量 - 普朗克常数 - 是一个固定值。
“如果我想获得我的SI伏特或我的SI欧姆，我总是感到很高兴，我不得不经历千克。我不得不通过一个机械单元来获取我的电气单元，“纽厄尔说。“这似乎是十九世纪，而且确实如此。”
“人们谈论，哦，这是重新定义千克，但我认为这实际上错过了重要的一点，”施拉明格说。“我们将把这些电气单元带回SI。”
适合所有人，永远
世界上有超过六个Kibble天平，从南美洲到亚洲的许多国家正在建设自己的平衡 - 因为一旦科学家拥有一个，他们就有了获取千克的工具和许多其他基本单位和措施。性质。公斤不再局限于一个金库，很少有人有权使用它，每个人都害怕接触它，以至于每半个世纪都没有使用它。
罗宾逊说：“现在意味着，我们所能做的就是在世界范围内推广确定质量的模式。”
对于这一变化所影响的科学家来说，新的国际单位制是一个历史性时刻。
“我仍然担心这完全是一个梦想，明天我醒来，这不是真的，”施拉明格说。“我认为这将完成人们在法国大革命之前开始考虑的弧线，而且我们的想法是为所有人提供所有时间的测量。”
“这是我生命中的亮点之一，”马克斯普朗克研究所的Klaus von Klitzing说道，他自己的常数将作为新SI的结果固定为固定值。“这太好了。我们将这些量子单元统一起来......用新的SI单位，因此这是一个很好的情况。“
我们用来描述宇宙的基本价值观的这种变化并不经常出现，很难想象什么时候再发生一次。该仪表于1960年重新定义，然后在1984年重新定义。
第二个是在1967年重新定义的。“现在这是一个相当革命性的变化，”戴维斯说。“永恒的人们通过地球的旋转告诉了时间，突然间我们变成了铯原子的振动。”
重新定义第二个是否是对人类理解的一个更根本的改变，而不是重新定义公斤并不是说，但是，与第二个一样，重新定义的公斤无疑是我们物种进步的一个值得注意的时刻。
戴维斯说：“摆脱最后一件神器......这是历史性的事情。” “真的，测量标准基于这些工件，因为任何人都知道。新石器时代的挖掘显示标准标准长度，标准质量 - 小块的燧石或岩石或其他东西。这就是人们几千年来一直在做的事情，而这是最后一次。“
SI将再次发生变化，但主要是为了减少已经无限小的不确定性，或者切换到不同波长的光或化学测量，这种测量的精确度要高得多。将来，我们甚至可以为SI添加我们尚未想到的值的单位。但是，我们可能永远不会再做我们现在做的事情，留下对我们祖先的理解，并采用新的衡量标准。