千克原器退役!新標準重新定義千克

2021-01-16 青春環測

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」。


千克的定義都改變了！是不是說我的稱不準了？能讓我的體重減輕一點嗎？


首先要說明：對我們的日常生活沒有影響，減肥的朋友們不要給自己找藉口了。

你可能想問，為什麼國際計量要重新定義千克等基本單位呢？就讓編編為你一一道來。


這得先從一件擁有129年歷史的「神器」談起。我們現在用來表示質量的基本單位kg（千克），就是由它來定義的。

這件神器自誕生起一直存放於國際計量局，被稱為國際千克原器（IPK）或者「大K」。大K是一塊由鉑銥合金製作的、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裡，與世隔絕而且一直受到嚴密的監控。同時，大K在各國還有很多複製品，每隔40年，人們都會將大K和複製品進行比對，以確定全世界的重量處於同一個系統。

然而，再精密的人工製品，都無法真正做到「重量恆久遠，一顆永流傳」。事實上，儘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。

儘管50微克大概只相當於一根眼睫毛的重量，但如果用來計量的量度本身發生了變化，那麼它將會給建立在它之上的整個系統帶來巨大的影響。千克屬於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。



事實上，在7個基本單位中，千克是最後一個通過人工製品定義的單位了。其他單位都已經改由某些自然常數來定義。

七個基本單位及新定義 | 國際計量局

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」。

普朗克常數的單位是焦耳·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，於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。



人們固然更喜歡用普朗克常數來定義新的千克，可我們該造一臺什麼樣的儀器，來對這個新的千克進行標準測量呢？


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。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。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。



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。新標準將於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，這種變化正意味著，在人類眼中，宇宙的像素變高了。

圖文編輯：李欣茹

責任編輯：李遠航

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  • 千克的定義變了
    國際千克原器「大K」。　　新華社發　　中國千克重新定義復現裝置。
  • 千克原器要下課了!
    先說說千克原器。其實就是一個標準——1kg的質量到底是多大說白了就是一個金屬疙瘩，一個砝碼而已。
  • 國際千克原器可能要退休了
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