今年,國際度量衡委員會將以普朗克常數為基準,對質量「千克」進行重新定義。這一消息從去年一經發布就引發了很多「物理小白」的議論:質量單位為什麼要重新定義?對我們日常生活會不會有影響?讀完今天這張卡片,相信你會有一個答案。
1799年,法國科學家提出將4℃時,1立方分米水的質量定義為「1千克」,並以這個標準製作了純鉑的「千克原器」作為1千克的國際標準。1889年,科學家們用更穩定的鉑銥合金代替了純鉑的千克原器,並一直使用到現在。也就是說,我們使用的「千克」的定義一直是以這個「國際千克原器」實物為標準的。
在1960年的第十一屆國際計量大會上,各國統一開始統一採用「國際單位制(SI)」作為世界上最普遍的標準度量衡單位系統。其中七個基本單位分別是米(長度)、秒(時間)、開爾文(溫度)、安培(電流)、摩爾(物質的量)、坎德拉(發光強度)和千克(重量)。重量單位「千克」是唯一仍使用實物進行定義的單位。
用實物作單位標準看似簡單,卻也存在著一些缺陷。首先,儘管保存條件無可挑剔,但隨著時間推移,國際千克原器的質量會發生微小變化,從而引起所有事物質量的改變,並影響所有與質量有關的其他物理單位,比如牛頓、焦耳等。另外一個問題就是,為了避免損傷,國際千克原器不能經常使用,給實驗室對千克的測量造成了很大不便。
為了杜絕混亂,國際計量委員會早在2005年就提議以基本物理常量為基礎,對千克進行重新定義。2010年,國際計量委員會決定以普朗克常數為基礎重新定義「千克」,並在今年正式實施。而對普朗克常數更精確的測量工作也在進行中,這一數值的不確定度已經達降低到了0.000000013乘以10的-34次方。
普朗克常數是物理學最基本的常數之一,單位是㎡kg/s,而長度(m)和時間(s)都很易於測量,因此用普朗克常數倒推重量(kg)是一個很好的選擇。對世界各地的實驗室來說,只要擁有一臺瓦特天平,根據普朗克常數將相應的儀器參數設置正確,那麼得出的質量就是理論上沒有誤差的1千克,而無需與國際千克原器進行對比。
其他國際單位制基本單位就沒有重量單位「千克」這麼麻煩了。以熱力學溫標「開爾文(K)」為例,只需知道0K=-273.15℃,是實驗室能得到的最低溫度即可,這一溫度也被稱為「絕對零度」。值得一提的是開爾文原名威廉·湯姆遜,是獲得了英國女皇授予的開爾文勳章之後,後世才稱他為「開爾文」。
與「開爾文」類似,電流強度「安培」也是以科學家名字命名的單位。在真空中,截面積可以忽略的兩根相距1米的平行而且無限長的圓直導線內,通以等量恆定電流,導線間相互作用力在1米長度上為2乘以10的-7次方牛頓時,則每根導線中的電流為1安培。這一定義與焦耳、摩爾、坎德拉等單位一樣,都是理論性的,很方便使用。
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