定义“千克”的仪器不准了!昨天,它惨遭全世界抛弃

      [来源:果壳]      2018-11-17 16:10:21

11月16日,在新一届国际计量大会上,科学家们通过投票,正式让国际千克原器退役改以普朗克常数(符号是h)作为新标准来重新定义“千克”

这是一个对重量“斤斤计较”的时代。

我们可能站在体重秤上抱怨减肥失败,或者怒斥小贩卖菜时偷斤少两。然而,我们大部分人都不知道的是,重量本身就存在一个问题——它的单位“千克”可能不那么可靠了

为什么这么说呢?这得先从一件拥有129年历史的“神器”谈起。我们现在用来表示重量的基本单位kg(千克),就是由它来定义的。

这件神器自诞生起一直存放于国际计量局,被称为国际千克原器(IPK)或者“大K”。大K是一块由铂铱合金制作的、高度和直径均为39.17毫米的直立圆柱体。它被安放在法国巴黎郊区的一个保险箱里,与世隔绝而且一直受到严密的监控。同时,大K在各国还有很多复制品,每隔40年,人们都会将大K和复制品进行比对,以确定全世界的重量处于同一个系统。

铂铱合金是已知最稳定的合金之一,甚至大K几乎一直“蹲在监牢”中,但人们发现,它很可能已经损失了大约50微克的重量

牵一发动全身

当然,由于大K正是千克这一单位的定义,所以技术上来说,我们并不能说它损失了重量。我们只能说,整个世界变重了一点(我似乎又可以心安理得地吃下一块榴莲酥了。)

尽管50微克大概只相当于一根眼睫毛的重量,但如果用来计量的量度本身发生了变化,那么它将会给建立在它之上的整个系统带来巨大的影响。千克属于7个基本物理单位,而其他物理单位都可以从基本单位导出。例如力的单位牛顿,就是定义为使1kg的物体有1m/s²的加速度。

然而,千克这一单位的变动不仅会影响导出单位,更严重的是,它还会影响到其它标准单位。如果大K的质量发生变动,前文所述的力的单位牛顿也会发生变动,随即影响到另一基本单位“安培”,安培的变动又会改变一系列电磁学单位,例如库仑(电荷)、伏特(电压)、特斯拉(磁场)、韦伯(磁通)等等。

这些单位的变动将动摇整个人类社会的基础,各行各业都将不得不重新检视已有的标准。特别是那些对质量变化极其敏感的行业。比如制药业,50微克可以说是一个很大的数字了。因此,在基本单位这件事上面,牵一发而动全身不是虚言。

于是,在秦始皇统一度量衡几千年后,用来统一度量衡本身的量度,是时候更严谨的定义一下了。

重新定义新千克

事实上,在7个基本单位中,千克是最后一个通过人工制品定义的单位了。其他单位都已经改由某些自然常数来定义。

比如长度单位米,其定义为光在真空中于1⁄299792458秒内行进的距离。时间单位秒的定义稍微复杂一些,它表示铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。

为什么要根据某些常数来定义基本单位呢?

因为基本单位最重要的一个原则是:For all people, for all time——不因使用者也不因使用时间的改变而改变。目前的大K根本无法满足这两条要求。因此,人们一直在思考如何对其进行新的定义。

11月16日,在新一届国际计量大会上,科学家们通过投票,正式让国际千克原器退役改以普朗克常数(符号是h)作为新标准来重新定义“千克”

普朗克常数(记为h)是量子力学中用来计算光子能量的一个常数,它由著名科学家马克斯·普朗克提出。普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和实验结果相符。这样的一份能量叫做能量子,每1份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率,即E = hv。普朗克常数的数值是6.62607015 x 10^-34,单位是J.s (焦耳*秒)。

那么,怎么根据普朗克常数来定义千克呢?

这里就要从它的单位入手。可以看到,普朗克常数的单位是焦耳每秒。而焦耳本身则是一个导出单位,它的定义是1牛顿的力使物体在力作用的方向上移动1米时所做的功,我们已经知道,牛顿的定义是使1kg的物体有1m/s²的加速度。因此,1焦耳也可以写成kg⋅m^2⋅s^−2,于是普朗克常数的单位也就可以写成kg⋅m^2⋅s^−1。至此,普朗克常数便同kg这一基本单位发生了关联,我们也就可以根据它来精确定义千克。

4把秤和1个球

然而,难的不是定义,难的是测量。人们固然更喜欢用普朗克常数来定义新的千克,可我们该造一台什么样的仪器,来对这个新的千克进行标准测量呢?

为此,人们造了5件新的“神器”——4把秤和1个球。

秤是雕花金丝楠木……啊不,划掉,秤是基布尔秤(Kibble balance),又叫瓦特秤(Watt Balance)。它是一种通过电流和电压的强度精确测量测试对象重量的仪器。由于测量的质量与电流和电压的乘积(即功率,单位为瓦特)成正比,所以该仪器又被称为瓦特秤。

基布尔秤可以将对质量的测量等效为对电磁力的测量。而这个电磁力又可以同普朗克常数关联起来。这背后的原理是两项诺奖级的研究。

1962年,英国物理学家布赖恩·约瑟夫森(Brian Josephson)提出了约瑟夫森效应;1980年,德国物理学家克劳斯·冯·克利青(Klaus von Klitzing)发现了量子霍尔效应;前者是一种与电压有关的量子效应,后者则表明电阻也是量子性的。而我们知道,普朗克常数是量子力学的基本常数。因此,通过电磁力来平衡质量,再通过含有普朗克常数的公式来计算产生这一电磁力的电压和电流,从而实现对千克的新定义。

然而,光有秤还不保险,科学家们又造了一个球,来确保万无一失。这个球是人类有史以来制造的纯度最高、形状最圆的硅球,由硅-28制成。科学家们对这个球进行了极其精密的检测,其中含量最大的杂质是铜,但其含量仅为每克样品中含有7纳克,大概相当于每30亿个硅原子中才有1个铜原子。

这个球纯度如此之高,可以用来更精确地测量阿伏伽德罗常数,而根据某些已知的方程,我们可以根据阿伏伽德罗常数来计算出普朗克常数。阿伏伽德罗常数定义是1摩尔(mol)的原子有多少个?在教科书上,答案通常是6.02x10^23。但这个精度远远不够,2017年12月的一篇文献表明,人们借助这个硅球,已经将这一常数测到了6.022140588 (65) x 10^23,括号中的数字表示最后一位的不确定度,而相对不确定度则不超过1.73 x 10^-8。

有了这4把秤和1个球,千克的新定义将达到一个史无前例的精确度。国际计量大会曾经表示,要至少通过3个实验把普朗克常数的不确定度降低到5 x 10^-8以下,其中一个还必须达到2 x 10^-8以下,方能满足对千克的新定义的要求。而目前,人类所制造的这4把基布尔秤和1个硅球,都已满足要求。

宇宙的像素更高了

其实,在本次国际计量大会上,开尔文(温度)、安培(电流)、摩尔(物质的量)的定义都发生了改变,它们将分别由玻尔兹曼常数(k)、基本电荷(e)和阿伏伽德罗常数(NA)定义。新标准将于2019年5月20日实施。

单纯从数字上来说,这种变动幅度可能不大。但是,其背后反映的却是,人类已经有能力去进行更精确的测量,才能够实现更精确的定义。而每一次更精确的测量,则意味着人类眼中,宇宙的像素又变高了。

我们用来丈量这个世界的尺子,决定了我们能够去到的地方。

We are what we measure.

[责编:曾璇]

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