bimp 前沿热点之重新定义“千克”

2018年11月，来自60个国家的科学家一致投票，从2019年5月20日开始，科学家将根据普朗克常数重新定义千克，普朗克常数是一个将无线电波的能量与其频率联系起来的常数。从那时起，国际单位制中的所有七个基本单位都将根据自然常数而不是特定的物理对象来定义。

图1自1889年以来，质量单位“kg”由一个叫做legrand k的短铂合金圆筒来定义。这个圆柱储存在巴黎郊外地下室的三个玻璃钟罩下。图片来源:BIMP

人们试图创建标准化测量系统的历史可以追溯到5000多年前，当时人们经常选择臂长或种子重量等常见概念作为基准。然而，由于不同地方之间缺乏一致性，这种测量系统往往会给人们带来麻烦。1875年，受法国大革命的启发，17个国家在巴黎签署了公制公约，又称公制条约，确立了米和公斤的国际标准，后者被设定为等于4℃下1升水的质量。其目的是创造一个“面向所有时代和所有人”的有效测量系统——这是法国数学家和哲学家孔多塞侯爵提出的概念。

纵观全球，地方杂货商和国际大港口使用的秤都是按质量校准的，校准最终是用Le Grand K砝码进行的——而这就是问题所在。随着时间的推移，Le Grand K神秘地变轻了50μ g左右，而且由于所有的质量衡量标准都与Le Grand K有关，按照定义，每当这个标准原装设备失去某种质量，其他的一切都会变得“更重”。

由于特定物理对象的无常性，科学家们试图创造一种更不可改变的标准测量单位，其定义来自于宇宙的基本构件。例如，1967年，科学家将“秒”定义为铯-133原子振动9 192 631 770次所需的时间。新时间标准带来的好处之一就是GPS技术的发展，要求每天时间测量的误差控制在十亿分之一秒以内。同样，千克、安培、开尔文和摩尔的更精确定义可能为其他技术突破铺平道路。

多年来，人们对公斤的重新定义并没有取得令人满意的进展。直到1975年，英国国家物理实验室的物理学家布莱恩·基布尔发明了一种可以高精度测量重力形式的电流值的装置。几乎同时，量子力学的发现把普朗克常数和电压、电阻联系起来，使得Kibble天平测量普朗克常数。

图2 NIST物理学家制造的如图所示的Kibble天平是一种机电测量仪器。仪器的设计原则是力与力的相互平衡。在这种平衡中，当电流在磁场中通过线圈时，它产生的电磁力正好抵消被测物体的重力，从而可以进行进一步的测量。该设备的高精度为重新定义千克提供了基础，将于2019年5月20日生效。图片来源:李嘉图/ /NIST

最近物理学家用Kibble天平称量了一个精确的Le Grand K的复制品，从中获得的普朗克常数在小数点后8位以内。在测得的普朗克常数下，千克的单位将对应于Kibble天平中的比电流。

也许大多数人永远不会注意到千克的定义有了新的变化。然而，对于科学家来说，新的定义意味着更精确的测量，尤其是对更小的质量。美国国家标准与技术研究所的物理学家达林·哈达德(Darine Haddad)说:“我们现在可以测量天平上任何一点的质量，不再需要按千克计算。”"通过粗粒天平，我们的质量测量可以直接达到克或毫克的水平."这种精度可以帮助药剂师测量个性化的药物剂量或天文学家计算天体运动。

在中国、法国、韩国、英国和美国都建立了Kibble余额。此外，许多其他国家也在建造这种设备。NIST大学的物理学家斯蒂芬·施拉明格说:“这个新定义实际上是‘面向时间的’，因为它是基于在时间空结构中不随时间变化的常数，而且它实际上是‘面向时间的’，因为每个人都可以使用它。”"所以，在某种程度上，我们正在完成从法国大革命开始的进程."

转自中国工程院同刊

作家克里斯·帕尔默

选自《重新定义千克》

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