千克原器退役!新標準重新定義千克

2021-02-15 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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