计量学界发生一件大事!1千克要被重新定义了!
2018/1/4 18:07:32 中国科普博览

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     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。

     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

    

    

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