诺奖得主冯-克里青特邀报告:2018，重新定义"一千克"

克劳斯?冯?克里青（摄影：慕梁）

　　新浪科技讯 北京时间12月17日下午消息，2017“复旦-中植科学奖”颁奖典礼暨第三届复旦科技创新论坛今日在上海举行，今年诺贝尔物理学奖得主雷纳?韦斯（Rainer Weiss）、基普?索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里?巴里什（Barry Clark Barish）是2017“复旦-中植科学奖”的获奖人，以表彰他们在引力波方面的研究。

　　在颁发“复旦-中植科学奖”以及三位获奖者为大家做了联合报告“LIGO与引力波的发现”之后，第三届复旦科技创新论坛的议程开始，论坛特邀1985年诺奖得主克劳斯?冯?克里青教授和著名科学家潘建伟院士做两场报告。其中克劳斯?冯?克里青教授做第一场特邀报告，主题是“2018，重新定义“一千克”：计量学将迎来法国大革命以来最大变革”。

　　以下为克劳斯?冯?克里青报告全文（速记根据同传录音整理，未经审定）：

　　克劳斯?冯?克里青：非常感谢对我的介绍。欢迎大家来到复旦中植科学奖颁奖典礼第二节的论坛。我觉得有必要提醒大家的是我们今天三位获奖嘉宾，他们获得复旦中植奖的时间，要早于获得诺贝尔奖的时间。

　　最后的才是最好的，虽然诺贝尔奖颁奖典礼在斯德哥尔摩已经结束了，现在我们进行复旦中植科学奖的颁奖典礼，这要比诺贝尔奖的颁奖典礼晚一周的时间。我也必须要说，在一周以前，在斯德哥尔摩我们有一个非常大的典礼，这三位物理学奖获奖者做了发言。这是各个媒体争相报道的照片，是捕捉的第一张引力波波形的照片。能够在大众刊物上广泛的公布物理学的一些研究成果，这真的是一件好事情。

　　这里我们需要注意一下，LIGO项目参与者数量非常非常巨大，几乎有千名的科研人员参与到了这个项目当中，其中有一位女性的研究人员，她也参加了斯德哥尔摩的这样一个典礼。上周德国发行了新的邮票，这个邮票就是为了纪念引力波的发现。相关的一些计算，就是由这位女性来做的。

　　那么我的诺贝尔奖和今年的诺贝尔奖有什么关联？首先我1985年获得了诺贝尔奖，那是很久很久以前的事情了，主要因为我发现了量子霍尔现象，如果你想知道这个引力波现象跟量子霍尔现象之间的关联，我在德国Google了一下。如果你要了解量子霍尔现象和引力波之间的关系，你会得到很多的搜索答案。

　　比如说我们的量子霍尔现象，是不是受到引力波的影响，或者引力波对于量子霍尔现象的产生，是不是有什么帮助等等。现在大家对于引力波的兴趣，都非常非常大，我也不知道这篇文章是什么意思，所以请大家千万不要问任何和引力波以及量子霍尔现象之间关联的问题。

　　如果跟大家介绍量子霍尔现象的话，我必须要告诉大家这个时间。这是1980年的一张照片，是凌晨两点钟，这是我在法国的实验室的一张照片，差不多是在半夜。我们一些科学家因为在半夜工作，所以我们需要一些奶酪，需要一些红酒。我们知道一般实验室是禁酒的，但是因为法国人觉得红酒就像水一样，所以我们把红酒带进了实验室。那天应该称之为量子霍尔现象发现的生日。其实这张照片不是当时，1980年5月2号所拍的一张照片，而是1985年，当我获得了诺贝尔奖之后，重新回到这个实验室，摆拍的一张照片，但使用的还是当时的背景。

　　在那个时候，我写下了一个等式。可以看到，我们用粗红体显示出来的就是基本的欧姆法则，电压等于电阻乘以电流。我发现了所谓的电阻，它其实是有一个固定值的，相关的一些物理现象，我就不跟大家解释了，我跟大家解释一下这个结果，在现在的霍尔现象条件之下，我们如果对一个电阻施加电压，会获得一个电流，通过电流和电压之间的关系，我们可以算出量子电阻，当然这个电子设备，应该是一个二维的电子设备。这就是我今天跟大家讲的一个研究结果。

　　在这之后，很多的实验室，都重复了这个实验。在这张幻灯片上面，我们可以看到有很多国家实验室，都重复了这样一个实验。包括中国的实验室，也做了相关的一些实验。大家得到的量子电阻的量，几乎是一致的。在1990年的时候，我们获得了关于这样一个量子电阻的最佳值，也就是25812.807欧姆，这是当时我们一个测量的精度。如果我们对量子霍尔现象进行深入的研究，无论你用什么样的设施、什么样的设备，什么样的测量方法，你都会发现，测量出来的值是一样的。这是一个最后的结果，大家得出来的值是完全一致的。

　　所以我们需要了解一下，什么是自然界的常数。比如说跟速度相比，以速度作为例子，我们可以测量自行车的速度，比如说一个小时20公里是它的行驶速度，也许在中国，因为你有很多的电动车，所以每一个小时可以达到50公里的行驶速度。我选择了一辆保时捷，保时捷可以达到每小时两百公里的速度。不同的物体可以有不同的速度，最终，我们要测量光的速度。我们用光速作为速度的标准，在电磁领域，我们也需要对电阻进行测量，我们有不同的电阻，但是这种量子电阻，无论你是使用什么材料去做的电阻，它的量子电阻都是25812.807欧姆。

　　所以在国际上面，大家已经把它认可为一个常数，也就是25812.807。相关发现做出来之后，我首先想到的就是要公布这样一个常数，所以我就写了一篇文章，文章的题目就是基于自然常数的标准电阻的实现。当时很多这种物理研究机构，不太相信我能够对电阻的测量达到这样的一个精度。没有人认为可以将电阻的测量带到这样一个精度。最后我的文章还是发表了，但是换了一个题目。

　　这个量子霍尔现象，牵涉到很多很多的层面，世界上出版了很多叫做量子霍尔效应的书籍，这里我拍了一张照片，我把能够找到书名叫做《量子霍尔效应》的书籍拍了照片。大家可以看到，随着时间的推移，相关出版物的数量变化，开始的时间是1980年，因为我刚刚发现了量子霍尔效应，五年之后，出现了一个出版物的小高峰。

　　1998年的物理学奖，以及2016年的诺贝尔物理学奖和拓扑绝缘体相关的物理学，其实都和量子霍尔效应，有非常强的关联。即使是星期天，我们都会有至少两个新的出版物会出现，主题都是关于量子霍尔效应。也许作为年轻的学者，所谓的量子霍尔效应，或者说天文学，都是一些新的主题，值得大家研究。有很多的出版物把这些主题进行有效的结合，也有大量的这方面的论文。甚至有一些相关的讨论，是不是在暗物质和分数量子霍尔效应之间，有一些关联。也许大家可能对拓扑量子计算比较感兴趣，而十年以前，就有一些相关的出版物，跟大家介绍如何将量子计算跟拓扑学进行结合，有非常非常多的相关的一些出版物来跟大家介绍关于量子霍尔效应以及拓扑量子计算的应用。

　　在今天的会议上，我就不跟大家一一详细介绍了，我只是跟大家介绍一个非常具体的内容。一个非常现实和应景的主题，也就是和我去年出版的两本书的主题有关的一个主题，那就是量子计量学。

　　在这本书里面，大家可以了解到很多的量子霍尔效应，今天我也会给大家讨论一下，一公斤和常数之间的关系，明年我们就会有一个关于一公斤新的定义。也就是2018年，就会有一个新的公斤的标准。这张照片就是标准一公斤的物质的照片。在这里你可以看到有很多的出版物，有一篇文章《公斤再见》，根据这一篇文章，他们认为一公斤的定义，是继法国大革命之后，在计量界发生的最大一次变革。它和我们计量的方法有关。其实所谓计量学，它是计量方面的科学，如果你要做实验，必须要对数值进行测量。

　　例如对一只鸟的几何度量进行测量和计算。所有的科学家都应该知道，自然界所有的东西，都可以由七个基本的计量单位来表达。无论你学什么，学生物，学高能物理学等等，各种各样的单位都可以以这七个基本单位来表示。这七个单位我们分别会把它称为国际单位制，时间我们有秒长度，有米质量，有公斤，有凯尔文，对于物质的量我们用摩尔等等，不管增加也好，减少也好，他们都会用这七个国际单位制作为一个基础。这七个单位必须要进行很清楚的定义，这样不管在任何一个国家的谁，都可以通过同样一个标准进行同等的测量。

　　那就出现一个问题，谁来决定这个标准，我们讲公斤，这个公斤的原型是什么东西，它用什么来判断一公斤是多重。我们仍然可以通过当时我们所界定的，在巴黎展示的金属块来界定它的原型，所以我们叫做千克原器。对于凯尔文来说，我们当初界定的是等价于热力学能量发生了焦耳的一个改变；对于安培来说，是基本电和每秒流动构成的电流；对于坎德拉和摩尔来说，都是如此，谁来界定一个标准的定义？因为这些都是不太标准的，或者非常容易发生变化，所以我们会定期召开全球度量衡大会，第一次的话是在1889年召开的，每四到六年举行一次年会，确定是否要改变我们的国际度量单位。

　　2014年的时候，也就是第25次国际度量衡大会上，提出了一个非常重要的观点，大家可以看到，这里有很多参与国的情况，包括中国。从1977年，中国加入国际度量衡局每年召开的国际度量衡大会，来审核相应的指标是否需要加以改变。每次开会的时候，我们要看一下是否有必要对一些既有的计量方法进行改变。上一次在巴黎召开的会议上，审核了这项计划是否应该将基于物理常数而非抽象标准或任意选择的衡器，定义几个基础单位。所以我们在CGPM第26次会议，接受了这样一个动议，也就是说同意来对这样一个SI，也就是国际单位值进行调整，下一次会议在2018年10月16日举行，在第26次大会上，将会批准这一项新的标准。

　　这是巴黎大会的一个会场图，我很高兴，在这样一个非常具有历史意义的会议上，来介绍我们度量衡最新的进展，在座每一位代表，他们将有权决定是否投票同意度量衡的新单位。如果要接受新的标准，必须符合几个条件。首先，你必须要找到一个方法，来对原来的测量方法进行更加精确的测量。比如说你要测量一公斤的重量，是否你现在的方法会比原有的方法更好，同时不会影响任何的精度。这是非常重要的，至少要开展三次独立的实验，来证明在一公斤测量方面的没有任何误差，或者没有任何不确定性的一个结果，或者说这个不确定性将会控制在50微克以下。

　　但是大家不要担心，除了这些要求，这些新的度量衡的单位，就算确定之后，也不会改变我们现在的日常生活。就算将来不用千克，我们也不用担心，将来千克还是千克，但是我们将会用更为稳定，更为通用的方法，对他们的标准进行界定。所以我很高兴，如果从明年开始一切正常，我们将会改变安培、欧姆、凯尔文、伏特在内的计算方法，他们将会比以前更稳定，一千克比以前更稳定。我得了诺贝尔奖，主要是因为启动了这一项研究。

　　我自己的研究，是如何能够更好地从微电子的领域测量度量衡。1988年会议当中通过的一项决议的第六条，也就是说通过我们量子霍尔效应，可以能够很好的表征欧姆这个值，建议用这样一个值来代表一欧姆所能够表示的电阻。

　　它形成了我们基础物理常数学的基础，也就是说这样一个固定值，或者没有任何不确定性参与计算得出的固定值，将会成为一个所谓我们说的参考的常数、单位的标准。这个欧姆和之前所说的这个指数欧姆90的话，就构成了一个对比。

　　我们其实是用这样一个欧姆常数来做分类的。这是中国的计量学会下面的一个计量实验室当中的一个设备，是在中国的欧姆的一个计量器，大家可以看到，这是在北京的昌平，应该是在我们的明孝陵自然保护区的国际计量中国学会的测量点，它在2009年落成开放，应该说它的设备也是世界最为先进的，可以对这些常数进行很好的界定。

　　差不多就在四年以前，我们在斯图加特召开了一次研讨会，我也应邀参加此次会议，当时讲到了如何通过量子霍尔效应，界定国际单位标准的新的度量值，同时也有很多教授对此予以了肯定。他们说对于新的度量衡标准和国际单位制来说，如何对于千克等在内的一系列的单位进行重新的界定。并且通过一种更为稳定的数值可计算和可重复的方式，来进行界定。

　　比如说对于千克来说，我们可以用瓦特秤的方法进行比较。我们通过这个方法，可以准确地测量以千克为单位的一个物体的质量。这里有一个普朗克常数，这样一种常数的存在，能够更好的帮助我们界定日常生活当中，所需要精确定义的一些物理值。这些值必须要满足严格的标准。在这张图上，大家可以看见有一些比较有意思的对话，就在M和H之间的一个对话。两者之间如何建立起联系呢？今天上午，我们听了几位教授的介绍，大家知道，当年爱因斯坦也是做出了预测，普朗克也在1900年进行了预测，马克斯普朗克知道当初做的理论预言，在第二年可以成为现实吗？这就是他们之间的交集，他们不仅发现了，而且也描述了他们所需要定义的基础。也就是说马克斯普朗克解释了一个黑体的效应，或者放射效应，从量子理论作为一个起点，来进行的一个定义。这里有一个图，?E=H?V。

　　这是1978年拿诺贝尔奖的两位专家得出的有关黑体辐射的一个结果，这里我们看到的是一个马克斯普朗克常数，在量子力学出现之后，运用了普朗克公式的演算。他在里面引入了两个常数，现在把它称为马克斯普朗克常数。随着这些常规基础常数的引入，我们才有可能对于长度、时间、质量、温度在内的一些基本的类别，进行量化。这个发现使对于所有的文化，不管是对于非人类，或者非地球所属的文化进行测量，都成为可能的。

　　因为它是一个常数，所以它受到一些物理或者说是化学等在内的一些条件以及因素的干扰的情况，会比较的少。我们一直在不断地来探索是否能够引入一些新的单位，比如说大家可以看，这是马克斯普朗克在1899之后，所做的一些新的探索，在长度、质量、时间、温度上面，把它的普朗克常数进行结合之后，就可以得出刚刚所提到的四项主要指标的不同标准。

　　大家可以看到，这些单位在具体的运用当中，还没有得到实施，因为当初计算起来比较复杂。但是我很幸运，他们没有就此终结我的研究计划。在电子方面，我们有一个基础的电子量，也是把它和欧姆常数进行结合，得出了一个电阻值，这是当时最精确的电阻值。他们用了一些包括马克斯普朗克基础的常数延伸数，进行了计算，我们2018年提出的新度量衡计划，就是基于他当年提出的普朗克计划。所以现在的发展，都是可以从历史当中得到原因。

　　第一，多年以前，我们有不同类型的对于长度和质量进行测量的方法。在长度上，有说尺，有说英尺，有说英寸，在质量上，英国可以说一克拉，但是在中国可以说一两。在英制的标准当中，我们可以说一袋法国的粮食和中国的粮食重量是不一样的，在中国也用一袋作为一个固定值的计量。

　　我曾经在80年代收到一封中国的信，其中提到当初都是来自于秦始皇统一的度量衡，所以大家可以看到拇指和食指充分伸张的一段距离，就可以被称作所谓的标准距离，通过这个距离来衡量，所有一切的长度，都是用这个来测量。包括重量、长度、热度等等都是如此。还有一些国家，似乎有时候用动物进行测量，比如说在中国的商朝时期，就用象牙作为衡量的标准。

　　一根象牙，长15.8厘米，会有几个面的打磨，几个象牙堆在一块，就构成多少重。因为当时条件有限，所以肯定会用这样一种低下和落后的方式测量。法国也是，当年在1790年，他们制定了一个普世计量单位指导意见集。在这个意见集当中，他们提到了时间的计算，比如说一天是10小时，一个小时应该有100分钟，这个应该是只执行了两年，在1793年到1795年之间，在美国做了两年，当时他们认为一个星期应该包括十天，这是法国科学院做的一个十进制度量的初步尝试。

　　所以他们认为，通过这样的方式来对数字进行改造，或者进行标准的统计，更为方便一点，但其实我们都知道，最后这样一种做法被废除了，也不应该这么做，因为显然这也不标准。之后到了1799年的时候，我们开始对相应的指标，又开始重新进行考虑，包括一公斤它应该代表什么，一米到底应该是多少，当时我们说从地球的赤道一直往地球的北极顶点计算的这一条线，除以多少值，就得出一米的距离，至少大家可以往这个比较标准的方向靠近。而不是你有你国家的算法，我有我国家计算的方法。

　　1875年，在一次会议上，向各国领导人提出，应该在国际层面有一个统一的标准的重量和测算的标准。1875年会议，当时所有国家都参与了，这一张图表现了当时他们怎么去做这个标准的。这个就是当时所做出的一公斤的一个合金、金条。当时上面表示一米，下面是一公斤，这两个标准统治了世界一长段时间。在国家层面，我们也得到了各个国家的承认，包括有中国、有德国好多的国家。现在我们所使用国际公认的公斤的单位，是1901年的第三次CGPM所通过的，它必须符合国际千克原器所代表的千克数，而不是任意一公斤重量的表述。而且必须通过使用BIPM的方法进行清洁和打磨之后，没有任何质量或者重量的增加或者减少之后，所能够定义的，现在它在巴黎储存。这是我们国际千克的原点，同时也是我们用了BIPM清洁标准进行清洁的所在地。

　　这个标准一公斤，就放在建筑的地下室，每年会召开一次会议，都和这一公斤的质量有关系。每次他们都会看一下标准的一公斤的质量。计量局的局长，他知道这一扇门的密码，会由他打开这一扇门，每个人看到这个都会很高兴。根据现在的规定，一公斤就是存储在巴黎的那一块金属，每个人都会鼓掌，因为他们最后发现一公斤的标准物质仍然在那边，这就是一公斤的原型。然后你会和不同国家的复制品进行比对，现在我告诉你，出了什么问题。

　　如果你把原型的一公斤和其他国家的复制品进行比对的话，你会发现在原型和复制品之间，会有一些对比上的变化。根据定义，原型就是一公斤，但是现在我们发现，这个原型变得比其他的复制品都要轻，或者其他复制品变得更重了。我们知道原型和复制品的制作过程，可能稍有一些不一样。我们知道现在标准的一公斤原型内有一些气体，这些气体可能在一定程度上慢慢挥发，从而让一公斤的物质出现物质上的损失。

　　现在的问题是我们能不能获得一个更为稳定的一公斤的这样一个原型或者标准呢？问题在于我们能不能对一些基本的长度，进行更高精度的测量。随着激光的引入，我们现在可以对于光速进行极其精准的测量。我们还要谈另外一个现象，所谓的约瑟夫森常数，它也为我们计量系统，引入了一些非常基本的自然常量。所以1973年，那个时候他只有23岁，他在理论上发现了超导现象，他可以让电压和基本的常量，建立起关联来。

　　他发现了一个非常精确的电压，这个电压是普朗克常数和原电和电量之间的一个组合的结果。所以我们这里，不仅通过这样一个量子霍耳效应，获得了一个量子电阻，同时还可以使用约瑟夫森效应，获得一个标准的电压，这两个常数都被国际标准化委员会认定为自然常数。这些常数的标准，已经通过KG90和RK90这两个标准，给固定了下来。我和约瑟夫森是世界上唯一两个还活着的常数的发现者，这张照片大家可以看到，这是我，我边上的是约瑟夫森。

　　这是量子单位，这些量子单位都可以以极高的精度进行测量。这些都是在进行高精度测量的时候我们经常会使用的一些单位。但是，这些单位，没有被纳入到最基本的七个标准的物理单位当中。所以在国际标准单位方面我们有像公斤，像米、安培、秒这样的一些单位。在1990年的时候，我们对两组单位进行了调整，但是还没有完全调整到位。

　　现在我们新的国际标准化委员会的全会，将要统一这两组单位，量子单位最后会被完全的纳入到国际标准化委员会的物理单位当中去，成为一些常用的物理量的新的定义的基础。这里我们可以看到七个基本的物理常量，现在我们可以和七个相对应的基本的量子常量进行对应。这里我们可以用普朗克常数定义新的一公斤，我们可以用光速来定义米，我们可以用量子电压来定义一秒，我们还可以用基本的电量来定义安培。现在从这张照片上，大家可以看到，我们是如何将普朗克常数运用到质量上去。我们在装置的左边施加电力，右边施加机械力。

　　你可以自己创造这样一个简单的装置，甚至用乐高的拼装玩具，你就可以完成这样一个基本装置的搭建。右下角是中国瓦特天秤的照片，这些都是瓦特天秤在世界分布的情况。这是2017年关于普朗克常数精确测量的一个最后结果。

　　大家可以看到，关于这个常数的值，在红色的区域，大家看到的是我们测量出来的值，它的不确定度，低于新的标准化委员会所设定的一个标准。今年8月份，我们已经对普朗克常数最佳的值进行了定义。所以现在我们可以将原来的计量系统，进行进一步的升级和调整了。

　　这是对国际标准单位一个新的建议。在这张幻灯片的左边，大家可以看到，这是我们基本的一些单位，包括真空当中的光速，普朗克常数，以及原电荷等等，在幻灯片的右边是标准化的数值，我们可能对时间长度、质量，有一些传统的定义，但是在新的系统当中，这些固定的自然常量或者基本常量，我们可以用光速来定义米，比如说我们可以使用原子钟的频率来定义秒，当然我们可以用普朗克常数来定义质量，这可能是对公斤的一个新的定义方式。对于安培这是这样，我们可以用电子的电量对安培进行定义。我们可以为所有的这些物理学的基本单位，提供新的更精确的定义。

　　这里我给出了新的计算公式，大家可以看到，我们有一个非常精确的普朗克常数，有一个非常精确的电荷电量。以前在古代的时候，可能我们在不同地方有不同计量单位，现在我们拥有一个全球性的计量单位，在未来我们的计量单位将可以在全宇宙适用。

　　最早的时候，我们对于质量的定义，可能跟我们当地的物产有一定的关联，比如说多少颗豆子构成多少质量等等，但是现在全球的标准，比如说一公斤就是一个立方分米水的重量，将来我们用普朗克常数，我们将来对于所有物理的定义，就可以普及在整个宇宙。在未来普朗克常数，原电荷还有其他的一些基本量子单位，都会成为国际标准单位的构成基础，所以我们把它称之为是法国大革命之后，在计量界最大的一次变革，非常感谢。

　　附：第三届复旦科技创新论坛特邀报告人克劳斯?冯?克里青介绍：

　　- 诺贝尔物理学奖得主（1985）

　　- 狄拉克奖章得主（1988）

　　- 英国皇家学会外籍会员（2003）

　　- 美国国家科学院院士（1990）

　　- 中国科学院外籍院士（2006）

　　克劳斯?冯?克里青，1943年生于希罗达，1972年获维尔茨堡大学博士学位。先后在英国、美国、法国进行访问研究，并于1980年任慕尼黑工业大学教授。1985年起在德国斯图加特的马克斯-普朗克固体研究所担任所长。他在研究中发现了量子霍尔效应，并凭此获得1985年诺贝尔物理学奖。该项发现对计量学意义重大，不仅因其充当了电阻计量标准，更因其与建立新的以基本物理常量为基础的国际单位制密切相关。他目前主要研究方向为低维电子系统中的量子输运。

　　克里青教授已发表论文500余篇，并获得众多国家与国际级别奖项。他拥有22个荣誉学位，其中包括复旦大学与上海大学荣誉教授。同时他也是美国国家科学院、俄罗斯科学院、英国皇家学会、中国科学院、宗座科学院等众多协会组织的外籍成员。