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重新定义千克

admin  发表于 2017年12月30日

127年前,科学家用国际千克原器定义了“千克”。这个定义沿用至今,它也是国际单位制中最后一个基于实际物体定义的单位。国际千克原器是一个高尔夫球大小的铂铱合金圆柱,保存在巴黎郊区的一座城堡中。它被锁在三层真空钟罩中,放置在国际计量局的恒温房间里。少量的灰尘、湿度的变化、人体的油脂、热胀冷缩等因素都有可能导致这个被称为“大K”(Le Grand K)的原器的质量发生变化。所以,每隔40年原器才会被移动一次,与保存在世界上其他位置的原器复制品进行质量比对。然而,一旦比对结果不一致,其实科学家也很难断定究竟是原器本身的质量发生了变化,还是复制品出了问题。

美国标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的物理学家斯蒂芬·施拉明戈(Stephen Schlamminger)指出,这个“脆弱”的质量标准对于现代科学来说是个麻烦,因为有很多技术都依赖于对质量的精确测量。在过去数十年间,科学家都希望能够利用自然界的常数重新定义质量单位,这样学界就有了更稳定,也更容易测定的质量度量基准。

近期,施拉明戈率领研究团队朝着这个目标迈进了一大步。他们利用普朗克常数(Planck’s constant)来定义质量单位。普朗克常数可以描述光子的能量与频率之间的关系,而光子的能量又可以通过爱因斯坦质能方程E = mc2与质量联系起来。施拉明戈等人利用先进的瓦特天平(watt balance)测定普朗克常数,详细的实验方法发表在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)杂志上。

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在实验中,研究人员在瓦特天平的一端放置了一个质量已知的标准件,另一端则利用磁场中悬停的可移动通电线圈来保持平衡。通过测量电磁力的大小,可以得到普朗克常数,此次测量结果的相对偏差已经低至3.4×10-8。

不过,在正式改用普朗克常数定义千克之前,还需要其他实验团队在2017年7月前公布独立的测量结果。2018年国际计量大会召开时,各组结果会被统一评估,其中就包括通过计数一个硅制球体中的原子数目得到的常数。大会将用复杂的计算程序筛查所有的数据,得到最终结果。届时,“大K”就可以退休了,与卢浮宫里的古老测量装置和其他古董文物一起安享晚年。


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