国际度量衡系统有一个重量问题——有一颗水晶球能够提供解决之道。
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| 这个矽晶球体中有多少个原子？答案可能引出公斤的国际新标准。Photograph by Julian Stratenschulte, dpa/Corbis |
一个多世纪以来，在法国萨弗瑞（Sèvres）的一座地窖中，一个如高尔夫球大小丶上了锁的圆柱体，确立了全世界一公斤（2.2磅）的准确质量。
国际公斤原器（International Prototype of the Kilogram）又被称为大K（Le Grand K），是一个闪着微光的铂铱合金物体，它是同类中硕果仅存的一个。其他所有的度量衡标准单位，都已根据固有自然常数而重新定义。例如，公尺原本是用一根金属棒代表，但在1983年已被重新定义为1/299,792,458秒内，光在真空中运行的距离。
一群各国来的科学家希望公斤也可以如法炮制，并且一劳永逸地舍弃这些过时的方法，使全球的度量衡系统恢复平衡。上周，他们发表了一项研究结果，透过计算出最为精确的亚佛加厥常数（Avogadro’s number）——比宇宙的星星数量还更多的原子，或许可以彻底结束对新的重量的等待。而那个数字是原子世界与可见世界的桥梁。
公斤不可思议地缩水
大K的诞生故事，听起来像个童话。圆柱形的人工制品是在国际度量衡大会（CGPM）的指导下铸造的，大会在1889年如皇室般下令：「从今以後，这个原器应被视为质量的单位。」
一个多世纪以来，这个公斤被封在国际度量衡局的三个玻璃钟罩里，保护它不受灰尘丶湿气丶指印和其他外来世界的污染损坏。只有三个各有一把钥匙的保管者一起，才能取出大K。
国际公斤原器（International Prototype of the Kilogram）又被称为大K（Le Grand K），是一个闪着微光的铂铱合金物体，它是同类中硕果仅存的一个。其他所有的度量衡标准单位，都已根据固有自然常数而重新定义。例如，公尺原本是用一根金属棒代表，但在1983年已被重新定义为1/299,792,458秒内，光在真空中运行的距离。
一群各国来的科学家希望公斤也可以如法炮制，并且一劳永逸地舍弃这些过时的方法，使全球的度量衡系统恢复平衡。上周，他们发表了一项研究结果，透过计算出最为精确的亚佛加厥常数（Avogadro’s number）——比宇宙的星星数量还更多的原子，或许可以彻底结束对新的重量的等待。而那个数字是原子世界与可见世界的桥梁。
公斤不可思议地缩水
大K的诞生故事，听起来像个童话。圆柱形的人工制品是在国际度量衡大会（CGPM）的指导下铸造的，大会在1889年如皇室般下令：「从今以後，这个原器应被视为质量的单位。」
一个多世纪以来，这个公斤被封在国际度量衡局的三个玻璃钟罩里，保护它不受灰尘丶湿气丶指印和其他外来世界的污染损坏。只有三个各有一把钥匙的保管者一起，才能取出大K。
世界最圆的物体
观赏影片：凝视水晶球。这个矽晶球是世界上最圆的物体，可以帮助科学家解决公斤单位的问题。了解球体的制造过程以及它们为何是无价之宝的原因。
40个一模一样的仿制品被送往全球各地，以校准公斤的单位。这些圆柱体只重聚过三次，以进行比对。每一次，大K和它的双胞胎们都被仔细地以酒精和乙醚擦拭，经过蒸气清洁，然後秤重。1992年，科学家们不安地发现，大K不知为何变得比它的手足轻了一些。
没有人确知到底发生了什麽事。而且因为大K的质量是和其他圆柱体比较量测而来，不清楚究竟是它的重量一直在下降，或是它在世界各地的其他仿制品不断地在变重。或许，逐渐累积的污染物是原凶，例如从实验室的温度计中渗出的水银。有一个研究人员甚至为了试图解决这个问题，因此创造了清洁圆柱体的新标准作法：使用紫外线。
「我们很怕碰到它，」史蒂芬．施纳格（Stephan Schlamminger）说，他是美国国家标准技术研究院（U.S. National Institute of Standards and Technology）电子公斤计画的首席科学家，「可能会擦掉一些原子或什麽东西」。
摩耳
虽然重量的差异很小——大约是50微克，或说是大约一粒小沙子的大小——但在讲求精准的领域中，如医药界或工程界，这种不稳定是不被允许的，因为微小的差异可能会引发一连串问题。
更重要的是，这不只是质量的问题而已。许多其他的现象——力量丶压力和能量——都要靠公斤来计算度量。一个不断变动的公斤单位，会导致其他类似的单位变得不能确定，例如瓦特和伏特。
终於在2011年，国际度量衡大会以全体55位代表一致赞成的票数，同意根据一个物理常数来重新定义公斤，计画预定在2018年完成。其中一个正在研究的方法，会以一个根据亚佛加厥常数而来的单位取代大K。
亚佛加厥常数是以一个19世纪的化学家之名来命名，也被称为摩耳——拉丁文的moles，是「一堆」之意，用来代表一群原子或分子集合体的词。就像一打鸡蛋代表有12颗鸡蛋，或是一令纸有500张，1摩耳原子约有602,214,082,000,000,000,000,000个单独的原子。
这个数字有多大？「把有亚佛加厥常数那麽多的棉花糖，均匀铺在全美50州，会产生一张逾97公里深的棉花糖地毯，」1978年《化学教育期刊》（Journal of Chemical Education）的一篇文章提到。
化学家利用亚佛加厥常数，将原子等级的尺寸转换为公克。
那样的关系可以用来确定公斤的质量。
计算亚佛加厥常数（Avogadro's number）
为了计算亚佛加厥常数，研究人员需要一个产生完美晶体的物质，里面每个原子占的空间大小完全相同。
那个物质就是矽。科学家计算了一公斤矽的反射球体中的原子数。就像计算口香糖机里的口香糖那样，他们测量那个闪亮球体的大小，并算出里面可以容纳多少原子。
这个在《物理与化学参考资料期刊》（Journal of Physical and Chemical Reference Data）发表的结果，是有记录以来最精确的亚佛加厥常数值，误差只有0.000000018。
再过几年，我们或许终於能让大K功成身退。有没有人需要纸镇？
文章摘自《國家地理雜誌National Geographic》
撰文：Maya Wei-Haas, National Geographic
编译：苏睿哲
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