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计量学界发生一件大事!你的质量要被重新定义了

发布时间:2018-01-27 10:37:28      来源:jwch

 来源:科普中国-科普融合创作与传播

    出品:科普中国

  制作:陈星

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  今年,在计量学界将会发生一件大事,那就是:质量单位“千克”将要被重新定义了!

  目前,1千克的定义就是“国际千克原器的质量”,这个原器存放在位于巴黎的国际计量局的保险柜里。千克是目前国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位。其他的六个基本单位是米(长度),秒(时间),开尔文(温度),安培(电流),摩尔(物质的量)和坎德拉(发光强度)。

  千克定义的演变史:从实物到基本物理常量

  千克最初的定义是4 ℃时一立方分米水的质量,这是1799年由法国科学家提出来的,并以这个标准制作了纯铂的千克原器作为1千克的国际标准。过了将近一个世纪,由于铂铱合金更加稳定,1889年科学家们用铂铱合金代替了纯铂的千克原器,然后这个千克原器一直被使用到现在。也就是说,我们使用的千克的定义一直是以国际千克原器这个实物为标准的。这样的千克定义虽然简单,但是却存在一些根本性的困难。

国际千克原器(图片来源于网络)

  首先,通过长时间的观察,人们发现,这个实物的保存并不容易。尽管保存条件几乎无可挑剔,但是国际千克原器的质量还是会随着时间的推移会发生微小的变化,这是一个问题。因为千克原器是千克定义的基准,它质量的改变意味着其他所有东西质量的改变。

  另外一个问题就是,为了避免对国际千克原器造成损伤,国际千克原器不能经常性使用,这就给不同实验室对千克的测量带来很大的不便。

  物理学中诸多的物理量都和千克有关,例如牛顿(力学单位),瓦特(功率单位),焦耳(能量单位)等,因此,千克原器任何轻微改变都会引起其他物理量定义的混乱。

  为了有效杜绝这种混乱,早在2005年,国际计量委员会(CIPM)就已经建议以基本物理常量为基础,对千克进行重新定义。 在2010年国际计量委员会决定,以普朗克常数为基础重新定义千克,之后2011年国际度量衡大会同意了该提议,并计划在2018年正式实施。

普朗克常数创始人马克斯·普朗克(图片来源于网络)

  普朗克常数:重新定义千克

  要用普朗克常数对千克进行重新定义,就需要对普朗克常数进行更为精确地测量,目前这一工作正在进行当中。普朗克常数的准确数值已经从6.626 070 040 x 10^-34 kg?m^2/s变为6.626069934 x 10^-34 kg?m^2/s,不确定度从0.000000081 × 10^?34提高到了0.000000013 × 10^?34。得到精确的普朗克常数之后,就可以使用瓦特天平来对质量进行精确地测量。

瓦特天平是一套十分复杂的平衡系统(图片来源于网络)

  那么为什么要用普朗克常数重新定义千克呢?原因如下:普朗克常数是物理学中最基本的常数之一,而且和它有关的量可以较为精确地测量,这也就意味着普朗克常数也能被精确地测量。

  普朗克常数的单位是m^2 kg / s,除了kg之外,其他长度(m)和时间(s)都有着很好的定义,且易于测量,因此选用普朗克常数来定义千克是一个比较好的选择。而且新定义很容易被世界各地的实验室重复,因为只要拥有一台瓦特天平,根据普朗克常数将相应的仪器参数设置正确,那么得出的质量就是一千克,这将会大大方便不同实验室对质量的精确测量和使用。

  当然,日常生活中使用的千克并不受影响,因为这样的定义并没有改变原有千克的大小,只是将千克的定义基础改变了,使它变得更容易重复和使用,更加稳定。