前沿熱點之重新定義「千克」

2020-09-25 全球技術地圖

2018年11月，來自60個國家的科學家們一致投票決定，從2019年5月20日開始，科學家們將根據普朗克常量來重新定義千克，該數字是聯繫無線電波的能量與其頻率的常數。

自此，國際單位制（International System of Units，SI）中的所有7個基本單位均將根據自然常數而非具體的物理對象進行定義。

圖1 1889年以來，「千克」這一質量單位是由一個被稱作Le Grand K的矮形鉑合金圓柱體所定義的。這個圓柱體現存放在巴黎郊外的一個地下室的3個玻璃鐘罩下。圖片來源：BIMP

人們嘗試創建標準化測量系統的歷史可追溯到5000多年前，那時人們往往選擇諸如手臂長度或種子重量等常見概念作為基準。但由於各地之間缺乏一致性，這種測量系統也常常給人們帶來困擾。1875年，在法國大革命的啟發下，17個國家在巴黎籤署了《米制公約》，也稱《米制條約》，該條約確定了米和千克的國際標準，後者被設定為等同於4 ℃時1 L水的質量。其目的是創造一個「面向所有時間，面向所有人」都行之有效的衡量體系——這一理念由法國數學家和哲學家Marquis de Condorcet所提出。

縱觀全球，無論是當地雜貨商還是在國際大港口，他們所使用的天平都是用質量進行校準的，該校準最終都是用Le Grand K砝碼進行的——而這就是問題所在。隨著時間的推移，Le Grand K已經神秘地變輕了約50 μg（大約是一根眼睫毛的質量）。並且，由於所有的質量計量都與Le Grand K相關，那麼從定義上來說，每當這個標準原器失去一定質量時，其他的一切都會變「重」一些。

由於具體物理對象（如Le Grand K）的無常性，科學家們試圖創造出更不可被改變的標準測量單位，其定義來自於宇宙的基本構建模塊。例如，在1967年，科學家們將「秒」定義為銫-133原子震動9 192 631 770次所用的時間。新的時間標準帶來的好處之一就是全球定位系統技術的發展，該技術要求時間計量的誤差應控制在每天十億分之一秒以內。同樣地，對於千克，以及安培、開爾文和摩爾的更準確定義也可能為其他技術突破鋪平道路。

多年來，人們重新定義千克的努力均未取得令人滿意的進展。直到1975年，英國國家物理實驗室的物理學家Bryan Kibble發明了一種裝置（在他去世後被命名為Kibble天平），該裝置能夠以極高的精度以重力的形式測量電流值（圖2）。而幾乎在同一時間，量子力學的發現將普朗克常量與電壓以及電阻聯繫了起來，這使得Kibble天平也可以測量普朗克常量。

圖2 Kibble天平，如圖中由NIST物理學家製造的這一臺，是一種機電測量儀器。設計該儀器的原理是力與力之間的相互平衡。在該天平中，當電流通過處於磁場中的線圈時，其產生的電磁力正好抵消了被測物體的重力，從而可以進行進一步的測量。設備的極高精度為千克的重新定義提供了基礎，而這一定義將於2019年5月20日正式生效。圖片來源：J.L. Lee/ /NIST

最近，物理學家用Kibble天平對Le Grand K的一個精確複製品進行稱重，由此得出的普朗克常量在小數點後8位以內。在所測得的既定普朗克常量條件下，千克這一單位將與Kibble天平中的特定電流量相對應。

或許大多數人永遠不會注意到千克定義的全新轉變。然而，對於科學家來說，新的定義將意味著更精確的測量，特別是對於較小的質量。美國國家標準與技術研究院物理學家Darine Haddad說：「我們現在可以在天平的任意一點上測量質量，不再需要根據千克來推算。」「通過Kibble天平，我們對於質量的測量可以直接達到克或者毫克的水平。」這種精度可以幫助藥劑師進行個性化劑量藥物的測量或幫助天文學家計算天體運動。

中國、法國、韓國、英國和美國都已經建立了Kibble天平，此外，許多其他國家也正在建設該設備。NIST的物理學家Stephan Schlamminger說：「這一項新的定義確實是『面向所有時間的』，因為它是基於時空結構之中不隨時間變化的常數所設立的，而且也確實是『面向所有人的』，因為每個人都可以使用它。」「所以，在某種程度上，我們正在完成從法國大革命時開始的進程。」

轉自丨中國工程院院刊

作者丨Chris Palmer

選自丨Redefining the Kilogram

編輯丨翟麗影

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