2018年11月，來自60個國家的科學(xué)家一致投票，從2019年5月20日開始，科學(xué)家將根據(jù)普朗克常數(shù)重新定義千克，普朗克常數(shù)是一個將無線電波的能量與其頻率聯(lián)系起來的常數(shù)。從那時起，國際單位制中的所有七個基本單位都將根據(jù)自然常數(shù)而不是特定的物理對象來定義。

圖1自1889年以來，質(zhì)量單位“kg”由一個叫做legrand k的短鉑合金圓筒來定義。這個圓柱儲存在巴黎郊外地下室的三個玻璃鐘罩下。圖片來源:BIMP

人們試圖創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化測量系統(tǒng)的歷史可以追溯到5000多年前，當(dāng)時人們經(jīng)常選擇臂長或種子重量等常見概念作為基準(zhǔn)。然而，由于不同地方之間缺乏一致性，這種測量系統(tǒng)往往會給人們帶來麻煩。1875年，受法國大革命的啟發(fā)，17個國家在巴黎簽署了公制公約，又稱公制條約，確立了米和公斤的國際標(biāo)準(zhǔn)，后者被設(shè)定為等于4℃下1升水的質(zhì)量。其目的是創(chuàng)造一個“面向所有時代和所有人”的有效測量系統(tǒng)——這是法國數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家孔多塞侯爵提出的概念。

縱觀全球，地方雜貨商和國際大港口使用的秤都是按質(zhì)量校準(zhǔn)的，校準(zhǔn)最終是用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神秘地變輕了50μ g左右，而且由于所有的質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)都與Le Grand K有關(guān)，按照定義，每當(dāng)這個標(biāo)準(zhǔn)原裝設(shè)備失去某種質(zhì)量，其他的一切都會變得“更重”。

由于特定物理對象的無常性，科學(xué)家們試圖創(chuàng)造一種更不可改變的標(biāo)準(zhǔn)測量單位，其定義來自于宇宙的基本構(gòu)件。例如，1967年，科學(xué)家將“秒”定義為銫-133原子振動9 192 631 770次所需的時間。新時間標(biāo)準(zhǔn)帶來的好處之一就是GPS技術(shù)的發(fā)展，要求每天時間測量的誤差控制在十億分之一秒以內(nèi)。同樣，千克、安培、開爾文和摩爾的更精確定義可能為其他技術(shù)突破鋪平道路。

多年來，人們對公斤的重新定義并沒有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(xué)家布萊恩·基布爾發(fā)明了一種可以高精度測量重力形式的電流值的裝置。幾乎同時，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)把普朗克常數(shù)和電壓、電阻聯(lián)系起來，使得Kibble天平測量普朗克常數(shù)。

圖2 NIST物理學(xué)家制造的如圖所示的Kibble天平是一種機電測量儀器。儀器的設(shè)計原則是力與力的相互平衡。在這種平衡中，當(dāng)電流在磁場中通過線圈時，它產(chǎn)生的電磁力正好抵消被測物體的重力，從而可以進行進一步的測量。該設(shè)備的高精度為重新定義千克提供了基礎(chǔ)，將于2019年5月20日生效。圖片來源:李嘉圖/ /NIST

最近物理學(xué)家用Kibble天平稱量了一個精確的Le Grand K的復(fù)制品，從中獲得的普朗克常數(shù)在小數(shù)點后8位以內(nèi)。在測得的普朗克常數(shù)下，千克的單位將對應(yīng)于Kibble天平中的比電流。

也許大多數(shù)人永遠(yuǎn)不會注意到千克的定義有了新的變化。然而，對于科學(xué)家來說，新的定義意味著更精確的測量，尤其是對更小的質(zhì)量。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的物理學(xué)家達(dá)林·哈達(dá)德(Darine Haddad)說:“我們現(xiàn)在可以測量天平上任何一點的質(zhì)量，不再需要按千克計算?！?通過粗粒天平，我們的質(zhì)量測量可以直接達(dá)到克或毫克的水平."這種精度可以幫助藥劑師測量個性化的藥物劑量或天文學(xué)家計算天體運動。

在中國、法國、韓國、英國和美國都建立了Kibble余額。此外，許多其他國家也在建造這種設(shè)備。NIST大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·施拉明格說:“這個新定義實際上是‘面向時間的’，因為它是基于在時間空結(jié)構(gòu)中不隨時間變化的常數(shù)，而且它實際上是‘面向時間的’，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開始的進程."

轉(zhuǎn)自中國工程院同刊

作家克里斯·帕爾默

選自《重新定義千克》

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