历经129年!物理学最基本单位“千克”重新定义

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曾经的千克“掌门人”129年的辉煌霸气,终被定格在了2018年11月16日。

随着第26届国际计量大会的表决,基于普朗克常数的千克定义将写进计量发展的历史。

用一个科学公式取代一个物理模型,来完成“千克换千克”的更新换代,其进步性体现在哪些地方呢?

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千克定义走向量子时代(网络图)

千克原器,一坨称世界

保存在巴黎西郊国际度量衡局地下室,一个神秘的三重钟形玻璃罩里的“国际千克原器” (The International Prototype Kilogram),曾被认为是世界上最先进的质量标准。

千克原器又被称为“大K”,陪同“大K”的还有六份官方副本,作为“继承人”和“备用件”。

在世人的心目中,这个千克最高基准具有极其神圣的地位,有三把钥匙存放在不同地方,必须悉数到场才能打开金库一睹“大K”的尊容。

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国际千克原器(网络图)

从图上看,国际千克原器只不过是个圆胖子,高39毫米,底面直径也为39毫米。不过这个圆胖子可是所有国家质量标准之源啊!

千克原器的前世今生

“国际千克原器”为什么被保存在法国呢?这与“国际千克原器”的身世有关。

1799年,法国科学家提出了千克最初的定义,即1立方分米纯水在最大密度(温度约为4摄氏度)时的质量定为1千克。

很显然,最初的千克质量单位是由起源于法国的长度单位米推导出来的,并且法国用纯铂制成了千克原器基准。

后来,科学家发现这个千克原器基准并不准确。1878年,国际计量局制造了3个千克原器的复制品,复制品是含90%铂10%铱的铂铱合金圆柱体。

1889年,在第1届国际计量大会上,决定把三个中质量最接近原千克原器的一个作为国际千克原器,并存放于国际计量局,最外一层玻璃罩内被抽成半真空,以防空气和杂质的进入。

为什么要“千克换千克”?

2018年世界计量日主题为,“进无止境——国际单位制(SI)的量子化演进”。随着量子计量基准的出现,为计量基准进步提供了全新的视角。

量子计量基准是国际单位制(SI)的演进方向,并有望推动计量科学发生革命性的变化。这对于千克基准的更替来讲更具有现实的意义,因为千克是最后一个基于物理人工制品基准定义的基本单位。

对此,参加表决的物理学家施拉姆明格对《卫报》表示:“如果外星人到访地球,我们除了物理也没什么好谈的吧?但如果要谈论物理学,我们必须就一组单位达成一致。假如我们介绍说质量单位是基于巴黎的一坨金属,那我们会成为全宇宙的笑柄。”

物理实物基准的弊端十分明显,其中误差就是一个主要因素。“大K”即便被保存在三重钟罩之下,表面的吸附作用以及多年使用导致的磨损和划痕还是积累产生了一定的误差。

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千克原器将退休(图片:translate.sogoucdn.com)

经过一百多年岁月的洗礼,国际千克原器与其副本之间已经出现了50微克的误差。

也许,这50微克的误差对我们的日常生活影响不大,但是在尖端科技领域那影响可就大了。

因此,改用自然常数作为基准重新定义“千克”,就成为了当前国际计量界的首要任务之一。就是在这样的背景下,普朗克常数才走进了“千克”定义的前台。

走近普朗克常数

普朗克常数是一个用以描述量子大小的物理常数,在量子力学中占有极其重要的地位。然而,普朗克常数需要通过实验来确定,因此其精度高低取决于实验仪器的测量精度。

那么,普朗克常数是如何与宏观质量发生联系的呢?其实是通过瓦特天平与质量发生联系的。

简单来说,瓦特天平就是一种复杂的称,它把借助于米、千克、秒测得的机械功率与电功率联系起来,而电功率变量里的电压和电阻都与普朗克常数有关。

瓦特天平是由基布尔博士发明的,因此又被称为基布尔天平。基布尔是英国著名的实验物理学家,长期致力于物理常数的精确测量以及SI基本单位的实现等方面的研究。

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布莱恩·彼得·基布尔(Bryan P. Kibble ,1938年- 2016年)(网络图)

基布尔在英国国家物理实验室工作30年,为安培、伏特、欧姆以及千克等单位的定义做出了重要贡献。

瓦特天平拥有静态模式和运动模式两种测量模式,利用这两种测量模式可以构建一种新的平衡,通过联立方程可求解出普朗克常数的精确数值来。

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BIPM瓦特天平测量原理图(静态模式)

计量基准量子化一向被认为是国际计量科学的最前沿课题,具有十分明显的优势。不仅准确度比较高,而且可以按照相同的原理进行异地复现。攻克千克这个最后的实物基准“堡垒”,无疑其意义是十分深远的。

2019年3月30日 23:37
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