普朗克常數改寫「公斤」定義

2020-11-24 EDN電子設計技術

世界上所有的測量結果都可以追溯到「國際單位制」(Système International d'Unités；SI Units)。國際單位制以七個基本單位為基礎，並由此推導出各種可相互換算的測量單位。多年來，測量的定義——安培(ampere)、燭光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second)——都已經過重新定義，因而都是以自然發生的現象為為基礎，例如普朗克常數(Planck’s Constant)等。基於實物定義的最後一個SI單位——公斤，最近終於也重新定義了。qZxednc

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在此之前，所有質量測量的標準源於存放在法國巴黎近郊國際度量衡局(International Bureau of Weights and Measures；BIPM)的單一物件——國際公斤原型(International Prototype of the Kilogram；IPK)，自1884年被鑄造成為公斤的標準以來一直存放在此。qZxednc

以人造製品作為測量單元的世界標準存在兩個根本問題。首先，它的值可能隨時間發生改變。但是，由於它是世界標準，我們無從得知它是如何變化的，因為它就是標準。如果世界標準發生變化，那麼以它為基礎的所有測量值也會發生變化。qZxednc


基布爾天平使用電磁力測量質量（來源：NIST）qZxednc

第二個問題是，你不可能在每次需要校準時，都把每個質量測量裝置帶到法國。因此，美國的國家標準暨技術研究院(NIST)和英國的國家物理實驗室(NPL)等國家標準實驗室都設有自己的公斤標準，並且會定期將這些標準帶到法國與原型進行比較。然後再使用國家標準來比較其它標準，之後再用於與另一標準進行比較，或是將標準用於校準測量儀器。因此，您需要記錄一連串與原型進行的比較與校準，以便確認質量測量的可信度。qZxednc

隨著2018年11月16日新版國際單位制的通過，新的公斤定義不必再與原型進行比較了。現在，國家實驗室就能夠建立自己的公斤標準，因為它雖然很難實現，但可以複製。計量學家需要擁有足夠的設備並遵循嚴格的步驟來製造自己的公斤標準，但這還是比依賴單一人工製品好多了。隨著新定義的出現，您無需再攜帶龐大的天平進行校準。如今，公斤不會改變了，而是根據其進行定義的方式而異。qZxednc

從2019年5月開始，公斤的定義將是：當以單位Js表示時，普朗克常數h的固定值為6.626 070 15×10-34，即等於kgm²s-1，與公尺和秒的關聯以c和Δv進行定義。qZxednc

實現公斤的過程取決於一個稱為「基布爾天平」(Kibble balance)的工具。它使用了線圈和磁鐵，線圈中的電流施加已知的力，並且可以測量到足夠精確的電流。因為電流的定義已經根據磁場力確定，所以它可以用於導出向上的力，用於比較未知物體的質量。當力相等時，可以測量未知物體的質量。電壓和電流的測量基於普朗克常數。有關基布爾天平如何運作的詳細說明，請參閱NIST的Kilogram:The Kibble Balance。qZxednc

由於基布爾天平已經存于于國家計量實驗室，如今全球都可以重建自己的公斤原型標準了。qZxednc

(參考原文：The Kilogram Has a New Definition，由Susan Hong編譯)qZxednc

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