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见证历史:千克等单位被重新定义,国际单位制进入“量子时代”

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-28  来源:中国仪器仪表行业协会  浏览次数:38
核心提示:11月16日,第26届国际度量衡大会经过60个成员国代表的投票表决,重新定义了千克,新定义以普朗克常数为基准,有一百多年历史的国
     11月16日,第26届国际度量衡大会经过60个成员国代表的投票表决,重新定义了千克,新定义以普朗克常数为基准,有一百多年历史的国际千克原器“大K”即将退出舞台。安培、开尔文和摩尔的定义也被更新,这是国际单位制于 1960 年正式公布以来最大的一次调整。

 

电脑合成的千克原器图像。| 图片来源:Wikipedia

 

撰文 戚译引

北京时间11月16日晚,在第 26 届国际度量衡大会(General Conference on Weights and Measures,GCWM)上,60 个成员国代表投票通过了一项历史性的决策,对千克、安培、开尔文和摩尔的定义进行了更新。

有赖于科学家近年来对相关常数的精确测量,这次变更之后,7 个基本度量标准全部使用物理常数定义,而不依赖于实体。新标准将于 2019 年 5 月 20 日开始实施。

 

再见了,大K

 

在这次变更的定义中,千克无疑是最受关注的一个。在国际单位制(SI)家族的 7 个基本单位中,千克曾经是最后一个依赖于实体进行定义的单位。在过去一百多年中,全世界的质量度量标准都以国际千克原器“大K”(Le Grand K)为参照,这是一个铂-铱合金圆柱体,被保存在位于法国巴黎的国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures,BIPM)的地下室里,受到重重保护。许多国家也都保存着各自的千克原器。

 

在法国科学工业城(Cité des Sciences et de l'Industrie)展出的大 K 复制品。| 图片来源:Wikipedia

 

其他单位的定义最初也与千克相似,取决于某些特定的实体。以长度单位米为例,法国科学院 1791 年将米定义为 1/4 个地球周长的一千万分之一,而地球的周长由通过巴黎和地球南北极的经圈来确定。

计量学家始终致力于制定一套普适的计量标准,能够通行于过去、现在和未来,适用于地球或遥远的星系。像“拃”或者国王脚长这样的单位显然是不行的,甚至地球的形状也并非恒定,自然常数才是理想的选择。

还有一个问题让制定新的质量标准变得更加迫切:大 K 的质量正在神秘丢失。通过和副本进行交叉对比,计量学家们发现它在一个世纪内“瘦”了 50 微克,相当于一根眼睫毛的重量。而由于整个测量体系环环相扣,其他许多物理单位都与质量有关,甚至包括一些基本常数的数值,这种微小的改变最终足以危及整个物理世界的根基。

几十年前,计量学家用光速和铯原子钟分别重新定义了米和秒。随着近年来科学家对自然常数的测量精度不断提高,其他单位的定义也得以更新,更加完美、恒久的计量标准终将成为可能。

 

你好,普朗克

 

新的千克定义将以普朗克常数为基准。普朗克常数代表了量子物理中“一份”能量的大小,而能量可以在宏观或微观尺度进行测量。在实际操作中,那个连接量子世界与宏观尺度的“任意门”就是基布尔秤(Kibble’s balance)。

 

美国国家标准技术研究院的基布尔秤。| 图片来源:Wikipedia

 

基布尔秤是一种极其复杂的装置,它的秤盘底部安装了线圈,下方是超导电磁铁,有两种不同的工作模式。在“称量模式”(weighing mode),电流通过线圈,产生的感应磁场与下方的磁体互斥,托起秤盘上的物体,这时就可以通过测量相关参数,算出物体的重量。而在“速度模式”(velocity mode),秤盘上不放物体,电机牵引秤盘在磁场中匀速上升,在线圈中产生一个感应电压。

再借助约瑟夫森效应(Josephson effect)和冯·克里青常数(von Klitzing constant),分别对电压和电阻进行量子化计算,质量单位和普朗克常数最终将能够被纳入同一个方程中。简而言之,如果已知普朗克常数或测试质量的其中一个值,就可以用基布尔秤精确测量另一个值。

 

基布尔秤工作原理。| 图片来源:NIST;翻译:科研圈

 

为了让测量结果尽可能精确,基布尔秤实验过程中还需要考虑当地气压、引力波动甚至潮汐的影响。《自然》(Nature)期刊曾将基布尔秤实验选为 2012 年最困难的五个物理实验之一,位列寻找希格斯玻色子和探测引力波之后。

近年来,借助基布尔秤和多个标准千克原器,5 个国家的国家计量实验室共同确定了普朗克常数的准确数值,让重新定义千克成为可能。中国科学家方浩(Hao Fang)、李世松(Shisong Li)在 BIPM 基布尔秤团队参与了这一项目。

 

欢迎来到量子时代

 

新的千克定义解释起来可能有些复杂。根据最新测量结果,普朗克常数h = 6.62607015 ×10−34 kg m2 s−1,即 1kg = h / 6.62607015 ×10−34 m-2 s。

将其中的米(m)和秒(s)分别用光速 c 和铯133 原子共振频率 νCs 定义:

光速 c = 299792458 m s−1,因此1m = 1/ 299792458 c·s; 铯133 原子共振频率 νCs = 9192631770 Hz,即 1s = 9192631770 / νCs ;

代入前面的公式,得到了新的千克定义:

 

 

确实有点复杂。美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)物理学家詹姆斯·奥托夫(James Olthoff)告诉《科学》(Science),计量学家们确实考虑过更直接的方法,例如计算特定数量的某种原子的质量,但是这不够实际,并且研究人员已经用数原子的方式确定了阿伏伽德罗常数,进而重新定义了摩尔。过去 1 摩尔被定义为“所含基本微粒个数与 0.012 千克碳12 的原子数相等的系统中物质的量”,而新的阿伏伽德罗常数通过计算一个重 1 千克的高纯度硅球(硅28)中的原子数得出,自此切断了摩尔的定义与千克之间联系。

摩尔的定义也在这次会议上得到了更新,一同“升级”的还有安培和开尔文,分别基于基本电荷和玻尔兹曼常数定义。那些进行高精度测量的科学家可能会需要调整自己的工作,不过对于大多数普通人来说,定义的变更不会带来什么可见的影响——以安培为例,这次更新后电压单位伏特的大小波动大约在千万分之一,电阻单位受到的影响还要更小。




                                信息来源:科研圈

 
 
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