歷經129年!物理學最基本單位「千克」重新定義

2020-11-25 驅動之家

曾經的千克「掌門人」129年的輝煌霸氣，終被定格在了2018年11月16日。

隨著第26屆國際計量大會的表決，基於普朗克常數的千克定義將寫進計量發展的歷史。

用一個科學公式取代一個物理模型，來完成「千克換千克」的更新換代，其進步性體現在哪些地方呢？


千克定義走向量子時代（網絡圖）

千克原器，一坨稱世界

保存在巴黎西郊國際度量衡局地下室,一個神秘的三重鐘形玻璃罩裡的「國際千克原器」 （The International Prototype Kilogram），曾被認為是世界上最先進的質量標準。

千克原器又被稱為「大K」，陪同「大K」的還有六份官方副本，作為「繼承人」和「備用件」。

在世人的心目中，這個千克最高基準具有極其神聖的地位，有三把鑰匙存放在不同地方，必須悉數到場才能打開金庫一睹「大K」的尊容。


國際千克原器（網絡圖）

從圖上看，國際千克原器只不過是個圓胖子，高39毫米，底面直徑也為39毫米。不過這個圓胖子可是所有國家質量標準之源啊！

千克原器的前世今生

「國際千克原器」為什麼被保存在法國呢？這與「國際千克原器」的身世有關。

1799年，法國科學家提出了千克最初的定義，即1立方分米純水在最大密度(溫度約為4攝氏度)時的質量定為1千克。

很顯然，最初的千克質量單位是由起源於法國的長度單位米推導出來的，並且法國用純鉑製成了千克原器基準。

後來，科學家發現這個千克原器基準並不準確。1878年，國際計量局製造了3個千克原器的複製品，複製品是含90%鉑10%銥的鉑銥合金圓柱體。

1889年，在第1屆國際計量大會上，決定把三個中質量最接近原千克原器的一個作為國際千克原器，並存放於國際計量局，最外一層玻璃罩內被抽成半真空，以防空氣和雜質的進入。

為什麼要「千克換千克」？

2018年世界計量日主題為，「進無止境——國際單位制（SI）的量子化演進」。隨著量子計量基準的出現，為計量基準進步提供了全新的視角。

量子計量基準是國際單位制（SI）的演進方向，並有望推動計量科學發生革命性的變化。這對於千克基準的更替來講更具有現實的意義，因為千克是最後一個基於物理人工製品基準定義的基本單位。

對此，參加表決的物理學家施拉姆明格對《衛報》表示：「如果外星人到訪地球，我們除了物理也沒什麼好談的吧？但如果要談論物理學，我們必須就一組單位達成一致。假如我們介紹說質量單位是基於巴黎的一坨金屬，那我們會成為全宇宙的笑柄。」

物理實物基準的弊端十分明顯，其中誤差就是一個主要因素。「大K」即便被保存在三重鐘罩之下，表面的吸附作用以及多年使用導致的磨損和劃痕還是積累產生了一定的誤差。


千克原器將退休（圖片：translate.sogoucdn.com）

經過一百多年歲月的洗禮，國際千克原器與其副本之間已經出現了50微克的誤差。

也許，這50微克的誤差對我們的日常生活影響不大，但是在尖端科技領域那影響可就大了。

因此，改用自然常數作為基準重新定義「千克」，就成為了當前國際計量界的首要任務之一。就是在這樣的背景下，普朗克常數才走進了「千克」定義的前臺。

走近普朗克常數

普朗克常數是一個用以描述量子大小的物理常數，在量子力學中佔有極其重要的地位。然而，普朗克常數需要通過實驗來確定，因此其精度高低取決於實驗儀器的測量精度。

那麼，普朗克常數是如何與宏觀質量發生聯繫的呢？其實是通過瓦特天平與質量發生聯繫的。

簡單來說，瓦特天平就是一種複雜的稱，它把藉助於米、千克、秒測得的機械功率與電功率聯繫起來，而電功率變量裡的電壓和電阻都與普朗克常數有關。

瓦特天平是由基布爾博士發明的，因此又被稱為基布爾天平。基布爾是英國著名的實驗物理學家，長期致力於物理常數的精確測量以及SI基本單位的實現等方面的研究。


布萊恩·彼得·基布爾（Bryan P. Kibble ，1938年- 2016年）（網絡圖）

基布爾在英國國家物理實驗室工作30年，為安培、伏特、歐姆以及千克等單位的定義做出了重要貢獻。

瓦特天平擁有靜態模式和運動模式兩種測量模式，利用這兩種測量模式可以構建一種新的平衡，通過聯立方程可求解出普朗克常數的精確數值來。


BIPM瓦特天平測量原理圖（靜態模式）

計量基準量子化一向被認為是國際計量科學的最前沿課題，具有十分明顯的優勢。不僅準確度比較高，而且可以按照相同的原理進行異地復現。攻克千克這個最後的實物基準「堡壘」，無疑其意義是十分深遠的。

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參考文獻：

【1】界面新聞.《你到底有多重？明天就會有新的「1千克」參照基準》，百家號，2018-11-15。

【2】環球科學 蒂姆?福爾傑（Tim Folger）原創 龐瑋 譯.《1千克有多重?最難的實驗重新定義最基本的單位》，計量科普之窗，2017-06-30。

【3】https://translate.sogoucdn.com/pcvtsnapshot?url=https%3A%2F%2Fwww.nwaonline.com%2Fnews%2F2018%2Fnov%2F14%2Fmeasure-of-a-kilo-in-for-a-change-20181%2F&from=en&to=zh-CHS&tfr=englishpc&domainType=sogou.

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