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科学是从定量的概念发展出来的，衡量一个目标的多少、大小，最关键的动作就是测量。测量的边界就是存在的边界，测量的准确就是对“存在”最严谨的定义。 之前我们讨论过一个问题，就是如果科学继续发展，米这个单位还会更加精确跟抽象吗？ 这个问题是有确定答案的，它确实是在往更精确、更抽象的方向发展。 自从把地球周长1/4的1/1000万定义为1米之后，国际计量局就做了很多米尺，把标准的米尺发给各国。第一个原型是1889年制作的，由最最不容易氧化的铱铂合金打造的。 标准米尺 这个横截面是一个 X 型，这样平放起来是最不容易变形的，所以对长度影响最少。不过温度对金属始终有热胀冷缩的效果，所以规定是，这个 X 的凹槽的金属只有在0摄氏度的时候测量才是标准的1米，它的误差是2/1000毫米。 这个极为具象的1米的标准居然沿用到了1960年。 米制在世界各国作为国家标准的时间有早有晚，法国是1806年，当然是最早的，欧洲大部分国家在1900年之前都切换过来了。中国比较晚，是1959年才切换的。不过还有比我们更晚的，比如说美国，它到现在为止都丝毫没有迹象想把长度从英制改过来。 那什么才算1米的长度，后来又进化了。 因为一根金属槽总还是能轻易地发生长度变化，但是如果用氪（Kr）这种元素，在规定的两个电子能级释放出的光的波长的倍数作为米的标准，那就完全排除了温度、湿度、污染的因素的影响。 这次用氪元素来定准，用了20多年的时间，精度达到了正负7/100万毫米。 1983年的时候，激光技术发展到比较厉害的程度了，那个时候把光在真空中行走，1/299792458秒所经过的距离当作1米，这时候的精度已经达到了正负7/1000万毫米。 你看到这个时候，就已经是不依赖于任何实体的物质存在了，因为不论是什么光，在真空中都是这个速度。 所以说到1983年，人类对长度的标定已经完全抽象化了，米已经完全是一个逻辑上的存在了。现实中出现的误差只不过是在测量上出现的，而不是标准本身存在误差。 现在，我们测量激光的技术已经更准了，可以把误差控制在2/1亿毫米。 知道了这些，你就能体会到，抽象化和精确化是科学思维下的产物，也是人类文明跟人类技术进步的标志。 1千克的定义之前我们说了米这个单位的由来，自然它之后就会有1/10米，那就是分米，1/100米就是厘米，1/1000米等等等等。 其他的米都是通过除以10或者乘以10的单位出现的，根据米的定义，科学史上第二个被国际化的单位出现了，那就是质量的单位，千克。 这个单位的设定大约比米晚了8年的时间，当时的规定是：
可能有人听得极为用心，马上就能抓住我刚刚说的这句话的问题，没听清，我再重复一下：
这个问题就出现在摄氏度上了。 因为摄氏度并没有成为标准呢，之前只有距离的单位米规定好了，温度是什么还没有说清，怎么就能用来规范质量了呢？ 其实这样说，只是为了让大家听得懂。当年的规定并不是这么说的，当年表达温度用的是另外一个词，叫做百分度（Centigrade）。 在注释中有补充的规定，就是：
如果刚刚听的认真，马上你就会发现这句话里仍然有问题，因为我虽然解释清楚了摄氏度当年是用百分度来写的，可是注释里又冒出了下一个没有定义清晰的单位，那就是什么是1个大气压呢？ 大气压这个单位听着就好像更没有国际标准了，没错，而且有些同学可能会继续往下想，压力的单位是帕斯卡（Pa），而帕斯卡本来的定义是1平方米施加1牛顿的力，可这么一算，牛顿又是没有定义的，所以倒回去，质量还是没有定义。 其实当年这个问题是这么解决的：
所以：
所以质量就是这么被定义的。 千克标准原型现在的国际单位制中，一共有7大基本单位，它们分别是米、千克、秒，表示电流的安培，表示温度的开尔文，表示物质的量的摩尔，表示光强的坎德拉。 而我们这篇文章所说的， 表示质量的千克是很特殊的，因为它是到现在为止唯一一个还在以一个实体物质来定义的国际单位。 这个听上去就有点不可思议了，觉得太落后了。因为我上节课说过，随着科学的进展，越来越抽象化才是趋势，可是千克这个单位居然还是那么具象化的一个东西。 那它是什么呢？ 在巴黎的郊外，国际计量局总部，有一个地窖，里面藏着一个由90%的铂，加10%的铱打造的合金小圆柱，它被罩在三层的中型的玻璃罩子里头，每层之间还抽了真空，防止它跟空气中的物质发生反应，这纯粹是接近1公斤的白金跟另外一个稀有金属，所以光是金属的价值就超过20多万人民币了，那更不要提把质量精确地控制在1千克，这要花费多少劳动啊，所以这里是戒备森严的。 千克标准原型 我找了一张比较珍贵的图，因为到现在为止，这个千克标准原型都没有什么照片流出来，因为世界上只有3个人有这个地下室的钥匙，一个是国际计量局的主任，另外一个是巴黎国家档案馆的主任，还有一个是国际度量委员会的主席。而且这三把钥匙是不同的，需要三个人同时到场才能开启地下室的大门。 这块标准的千克原型是1889年制造出来的，人们简称它为大 K，但现在130年过去了，经过多次的使用，清洗维护，还是不是1千克，这真说不准。 如果你听得仔细的话，就会发现，这句里也存在一个没有说清的细节，那就是我们如何判断大 K 的质量是不是发生了变化，因为它本身已经是最最准确的1千克了。 如果这世界上还有什么东西可以评判它到底是不是1千克的话，那这个东西理论上应该比大 K 更准确地接近1千克，可是已经没有了。 如果你想到了这一点，那说明你真的具有非常棒的科学素质。没错，这就是测量活动中体现的极致的精确。 那这个问题最终是怎么解决的呢？ 当年，也就是1889年的时候，当时国际计量局一共打造了40个一模一样的千克标准，它们分别存在各国的计量局或者是科学院里，每个单位要拿，必须得拿走几个，而不能是1个，1个是没用的。 因为， 其中有1个是平时使用的时候拿出来用的，另外3个是用来校准大 K 的，不做其它用途。 这样的话，一旦大 K 发生了变化，那它不再准确了，于是另外3个因为比大 K 更少地拿出来使用，所以理论上就应该更接近1千克。 巴黎那个大 K 的质量，自从制造出来以后，使用的前57年一直比较精确，但是二战结束之后，1946年发现，它比其它的副本重了30微克。再下一次校准就是1991年了，这次发现它又重了20微克，所以总共已经比当年重了50微克了。 你像我们每天吃的善存，那一片里都有几毫克的铁、铜之类的东西，所以一下多了50微克，这个误差对于一个测量机构来说，那简直已经大到天上去了。 可是，国际计量局在这100多年里，已经在使用最最谨慎的手段维护它了，连那些在计量局工作了10几年的员工都只有很少的人才见过它的真身。 可是就算这么做，只过了100多年的时间，这个标准就已经崩塌了。 1千克的重新定义所以从上世纪90年代起，国际度量衡委员会就计划找出一个更可靠的方法定义千克是什么。 这个办法就是采用一个叫做普朗克常数的值来定义千克。 那什么又是普朗克常数呢？ 用最简单的说法，就是它可以描述一定频率的光携带了多少能量，比如说我们知道红光的频率大约是450兆（450×10^12）赫兹，那么红光携带多少能量呢？只要乘一下普朗克常数，那它就是能量了。 因为它是一个常数，所以不论温度、质量、重力条件怎么变化，它都是不变的。它反映的是一个底层的物理规律。 那它具体是多少呢？ 普朗克常数 这个公式你可以看看，是6.62乘10的负34次方，单位是千克乘以米的平方再除以秒，这里就出现了千克。 所以稍微处理一下，把千克挪到等号左边去，千克的定义就出来了。 千克就是一个由长度、时间，还有普朗克常数，乘除运算之后的表示法。 所以从理论上说，如果可以把普朗克常数测得特别准，1千克的标准就特别准了。 为此，国际计量局邀请了5个国家的计量实验室完成测试，要求这5个实验室测量之后的误差都要小于5/1亿这么精密，其中还得至少有一个实验室的误差小于2/1亿，这个新的标准才会采用。 其实这个工作已经在2016年底全部完成了，要求精度最高的那个2/1亿是由加拿大国家计量实验室做出来的。 2018年11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）经包括中国在内的各成员国表决，全票通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议。根据决议，千克、 安培 、 开尔文 和摩尔等4个SI基本单位的定义将改由常数定义，于2019年5月20日起正式生效。1千克将定义为“对应 普朗克常数为6.62607015×10^-34J·s时的质量单位”。其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。 今天我们能发现的科学思考方式是什么呢？ 第一，就是概念要想精准，一定是抽象化跟逻辑化的，一个具象的铂铱合金圆柱体，即便已经用了最昂贵跟最谨慎的方法去维护管理，也会在130年的时间里渐渐失去精准。 只有那些永恒不变的逻辑跟概念，还有物理常数才能保证我们看到的世界是稳定的。 第二个科学思维就是， 科学思考方式的优势不在于单个的思考习惯有多么深刻，多么有见地，而是在于下一个照此思考的人已经不用从零开始重复之前的验证。 比如说千克的定义改为普朗克常数之后，之所以稳妥，是因为长度的单位米已经标准化了，否则任何一个人要想把千克定义清楚，都要重新定义一下米。 任何人的工作，如果只能从零开始的话，那能得到的最大的成果只能是一个天才一生精力、体力的总和。可是在科学方法出现之后，科学成果就可以累加起来了。 所以，所有的科学分支，当前的水平都是远远超过50年之前的。而50年前又远比100年前强很多，这一点从米、千克的标准上就可以看出来。 |
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