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定義“千克”的儀器不準了!國際千克原器正式退役

前沿資訊 奇跡の海 12個月前 (11-18) 674次瀏覽 已收錄 0個評論 掃描二維碼

11月16日,在新一屆國際計量大會上,科學家們通過投票,正式讓國際千克原器退役改以普朗克常數(符號是h)作為新標準來重新定義“千克”

這是一個對重量“斤斤計較”的時代。

我們可能站在體重秤上抱怨減肥失敗,或者怒斥小販賣菜時偷斤少兩。然而,我們大部分人都不知道的是,重量本身就存在一個問題——它的單位“千克”可能不那么可靠了

為什么這么說呢?這得先從一件擁有129年歷史的“神器”談起。我們現在用來表示重量的基本單位kg(千克),就是由它來定義的。

這件神器自誕生起一直存放于國際計量局,被稱為國際千克原器(IPK)或者“大K”。大K是一塊由鉑銥合金制作的、高度和直徑均為39.17毫米的直立圓柱體。它被安放在法國巴黎郊區的一個保險箱里,與世隔絕而且一直受到嚴密的監控。同時,大K在各國還有很多復制品,每隔40年,人們都會將大K和復制品進行比對,以確定全世界的重量處于同一個系統。

定義“千克”的儀器不準了!國際千克原器正式退役

國際千克原器 | BIPM

然而,再精密的人工制品,都無法真正做到“重量恒久遠,一顆永流傳”。事實上,盡管鉑銥合金是已知最穩定的合金之一,甚至大K幾乎一直“蹲在監牢”中,但人們發現,它很可能已經損失了大約50微克的重量

牽一發動全身

當然,由于大K正是千克這一單位的定義,所以技術上來說,我們并不能說它損失了重量。我們只能說,整個世界變重了一點(我似乎又可以心安理得地吃下一塊榴蓮酥了。)

盡管50微克大概只相當于一根眼睫毛的重量,但如果用來計量的量度本身發生了變化,那么它將會給建立在它之上的整個系統帶來巨大的影響。千克屬于7個基本物理單位,而其他物理單位都可以從基本單位導出。例如力的單位牛頓,就是定義為使1kg的物體有1m/s2的加速度。

然而,千克這一單位的變動不僅會影響導出單位,更嚴重的是,它還會影響到其它標準單位。如果大K的質量發生變動,前文所述的力的單位牛頓也會發生變動,隨即影響到另一基本單位“安培”,安培的變動又會改變一系列電磁學單位,例如庫侖(電荷)、伏特(電壓)、特斯拉(磁場)、韋伯(磁通)等等。

這些單位的變動將動搖整個人類社會的基礎,各行各業都將不得不重新檢視已有的標準。特別是那些對質量變化極其敏感的行業。比如制藥業,50微克可以說是一個很大的數字了。因此,在基本單位這件事上面,牽一發而動全身不是虛言。

于是,在秦始皇統一度量衡幾千年后,用來統一度量衡本身的量度,是時候更嚴謹的定義一下了。

重新定義新千克

事實上,在7個基本單位中,千克是最后一個通過人工制品定義的單位了。其他單位都已經改由某些自然常數來定義。

比如長度單位米,其定義為光在真空中于1?299792458秒內行進的距離。時間單位秒的定義稍微復雜一些,它表示銫-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間。

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七個基本單位及新定義 | 國際計量局

因為基本單位最重要的一個原則是:For all people, for all time——不因使用者也不因使用時間的改變而改變。目前的大K根本無法滿足這兩條要求。因此,人們一直在思考如何對其進行新的定義。

普朗克常數(記為h)是量子力學中用來計算光子能量的一個常數,它由著名科學家馬克斯·普朗克提出。普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現,只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的,而是一份一份地進行的,計算的結果才能和實驗結果相符。這樣的一份能量叫做能量子,每1份能量子等于普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率,即E = hv。普朗克常數的數值是6.62607015 x 10^-34,單位是J.s (焦耳*秒)。

那么,怎么根據普朗克常數來定義千克呢?

這里就要從它的單位入手。可以看到,普朗克常數的單位是焦耳每秒。而焦耳本身則是一個導出單位,它的定義是1牛頓的力使物體在力作用的方向上移動1米時所做的功,我們已經知道,牛頓的定義是使1kg的物體有1m/s2的加速度。因此,1焦耳也可以寫成kg?m^2?s^?2,于是普朗克常數的單位也就可以寫成kg?m^2?s^?1。至此,普朗克常數便同kg這一基本單位發生了關聯,我們也就可以根據它來精確定義千克。

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NIST科學家Stephan Schlamminger的普朗克常數紋身 | Vox

然而,難的不是定義,難的是測量。人們固然更喜歡用普朗克常數來定義新的千克,可我們該造一臺什么樣的儀器,來對這個新的千克進行標準測量呢?

為此,人們造了5件新的“神器”——4把秤和1個球。

秤是雕花金絲楠木……啊不,劃掉,秤是基布爾秤(Kibble balance),又叫瓦特秤(Watt Balance)。它是一種通過電流和電壓的強度精確測量測試對象重量的儀器。由于測量的質量與電流和電壓的乘積(即功率,單位為瓦特)成正比,所以該儀器又被稱為瓦特秤。

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基布爾秤 | J. L. Lee / NIST

基布爾秤可以將對質量的測量等效為對電磁力的測量。而這個電磁力又可以同普朗克常數關聯起來。這背后的原理是兩項諾獎級的研究。

1962年,英國物理學家布賴恩·約瑟夫森(Brian Josephson)提出了約瑟夫森效應;1980年,德國物理學家克勞斯·馮·克利青(Klaus von Klitzing)發現了量子霍爾效應;前者是一種與電壓有關的量子效應,后者則表明電阻也是量子性的。而我們知道,普朗克常數是量子力學的基本常數。因此,通過電磁力來平衡質量,再通過含有普朗克常數的公式來計算產生這一電磁力的電壓和電流,從而實現對千克的新定義。

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圖 | Vox

然而,光有秤還不保險,科學家們又造了一個球,來確保萬無一失。這個球是人類有史以來制造的純度最高、形狀最圓的硅球,由硅-28制成。科學家們對這個球進行了極其精密的檢測,其中含量最大的雜質是銅,但其含量僅為每克樣品中含有7納克,大概相當于每30億個硅原子中才有1個銅原子。

這個球純度如此之高,可以用來更精確地測量阿伏伽德羅常數,而根據某些已知的方程,我們可以根據阿伏伽德羅常數來計算出普朗克常數。阿伏伽德羅常數定義是1摩爾(mol)的原子有多少個?在教科書上,答案通常是6.02×10^23。但這個精度遠遠不夠,2017年12月的一篇文獻表明,人們借助這個硅球,已經將這一常數測到了6.022140588 (65) x 10^23,括號中的數字表示最后一位的不確定度,而相對不確定度則不超過1.73 x 10^-8。

有了這4把秤和1個球,千克的新定義將達到一個史無前例的精確度。國際計量大會曾經表示,要至少通過3個實驗把普朗克常數的不確定度降低到5 x 10^-8以下,其中一個還必須達到2 x 10^-8以下,方能滿足對千克的新定義的要求。而目前,人類所制造的這4把基布爾秤和1個硅球,都已滿足要求。

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家里有礦的同學還可以試試用樂高搭個基布爾秤 | NIST

其實,在本次國際計量大會上,開爾文(溫度)、安培(電流)、摩爾(物質的量)的定義都發生了改變,它們將分別由玻爾茲曼常數(k)、基本電荷(e)和阿伏伽德羅常數(NA)定義。新標準將于2019年5月20日實施。

單純從數字上來說,這種變動幅度可能不大。但是,其背后反映的卻是,人類已經有能力去進行更精確的測量,才能夠實現更精確的定義。而每一次更精確的測量,則意味著人類眼中,宇宙的像素又變高了。

我們用來丈量這個世界的尺子,決定了我們能夠去到的地方。

We are what we measure.

參考文獻:

[1].https://www.smithsonianmag.com/science-nature/redefine-kilogram-180970798/

[2].https://www.theverge.com/2018/11/13/18087002/kilogram-new-definition-kg-metric-unit-ipk-measurement

[3].https://www.chemistryworld.com/news/purest-silicon-sphere-ever-created-will-redefine-the-kilogram/3007588.article

[4].http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/aa9abd/meta

[5].https://www.vox.com/science-and-health/2018/11/14/18072368/kilogram-kibble-redefine-weight-science

作者: Bearkiii


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