11月16日，在新一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，科學(xué)家們通過投票，
正式讓國(guó)際千克原器退役，
改以普朗克常數(shù)（符號(hào)是h）作為新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)重新定義“千克”。
這是一個(gè)對(duì)重量“斤斤計(jì)較”的時(shí)代。我們可能站在體重秤上抱怨減肥失敗，或者怒斥小販賣菜時(shí)偷斤少兩。然而，我們大部分人都不知道的是，重量本身就存在一個(gè)問題——
它的單位“千克”可能不那么可靠了。為什么這么說呢？這得先從一件擁有129年歷史的“神器”談起。我們現(xiàn)在用來(lái)表示重量的基本單位kg（千克），就是由它來(lái)定義的。這件神器自誕生起一直存放于國(guó)際計(jì)量局，被稱為
國(guó)際千克原器（IPK）或者“大K”。大K是一塊由鉑銥合金制作的、高度和直徑均為39.17毫米的直立圓柱體。它被安放在法國(guó)巴黎郊區(qū)的一個(gè)保險(xiǎn)箱里，
與世隔絕而且一直受到嚴(yán)密的監(jiān)控。同時(shí)，大K在各國(guó)還有很多復(fù)制品，每隔40年，人們都會(huì)將大K和復(fù)制品進(jìn)行比對(duì)，以確定全世界的重量處于同一個(gè)系統(tǒng)。
國(guó)際千克原器 | BIPM
再精密的人工制品，都無(wú)法真正做到“重量恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”。事實(shí)上，盡管鉑銥合金是已知最穩(wěn)定的合金之一，甚至大K幾乎一直“蹲在監(jiān)牢”中，但人們發(fā)現(xiàn)，它很可能已經(jīng)損失了大約50微克的重量。
牽一發(fā)動(dòng)全身
當(dāng)然，由于大K正是千克這一單位的定義，所以技術(shù)上來(lái)說，我們并不能說它損失了重量。我們只能說，整個(gè)世界變重了一點(diǎn)。（我似乎又可以心安理得地吃下一塊榴蓮酥了。）盡管50微克大概只相當(dāng)于一根眼睫毛的重量，但如果用來(lái)計(jì)量的量度本身發(fā)生了變化，那么它將會(huì)給建立在它之上的整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的影響。千克屬于7個(gè)基本物理單位，而其他物理單位都可以從基本單位導(dǎo)出。例如力的單位牛頓，就是定義為使1kg的物體有1m/s²的加速度。然而，千克這一單位的變動(dòng)不僅會(huì)影響導(dǎo)出單位，更嚴(yán)重的是，它還會(huì)影響到其它標(biāo)準(zhǔn)單位。如果大K的質(zhì)量發(fā)生變動(dòng)，前文所述的力的單位牛頓也會(huì)發(fā)生變動(dòng)，隨即影響到另一基本單位“安培”，安培的變動(dòng)又會(huì)改變一系列電磁學(xué)單位，例如庫(kù)侖（電荷）、伏特（電壓）、特斯拉（磁場(chǎng)）、韋伯（磁通）等等。這些單位的變動(dòng)將動(dòng)搖整個(gè)人類社會(huì)的基礎(chǔ)，各行各業(yè)都將不得不重新檢視已有的標(biāo)準(zhǔn)。特別是那些對(duì)質(zhì)量變化極其敏感的行業(yè)。比如制藥業(yè)，50微克可以說是一個(gè)很大的數(shù)字了。因此，在基本單位這件事上面，牽一發(fā)而動(dòng)全身不是虛言。
于是，在秦始皇統(tǒng)一度量衡幾千年后，用來(lái)統(tǒng)一度量衡本身的量度，是時(shí)候更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x一下了。
重新定義新千克
事實(shí)上，在7個(gè)基本單位中，千克是最后一個(gè)通過人工制品定義的單位了。其他單位都已經(jīng)改由某些自然常數(shù)來(lái)定義。比如長(zhǎng)度單位米，其定義為光在真空中于1⁄299792458秒內(nèi)行進(jìn)的距離。時(shí)間單位秒的定義稍微復(fù)雜一些，它表示銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。
七個(gè)基本單位及新定義 | 國(guó)際計(jì)量局
-
為什么要根據(jù)某些常數(shù)來(lái)定義基本單位呢
因?yàn)榛締挝蛔钪匾囊粋€(gè)原則是：
For all people, for all time——
不因使用者也不因使用時(shí)間的改變而改變。目前的大K根本無(wú)法滿足這兩條要求。因此，人們一直在思考如何對(duì)其進(jìn)行新的定義。
11月16日，在新一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，科學(xué)家們通過投票，
正式讓國(guó)際千克原器退役，
改以普朗克常數(shù)（符號(hào)是h）作為新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)重新定義“千克”。普朗克常數(shù)（記為h）是量子力學(xué)中用來(lái)計(jì)算光子能量的一個(gè)常數(shù)，它由著名科學(xué)家馬克斯·普朗克提出。普朗克在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，計(jì)算的結(jié)果才能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。這樣的一份能量叫做能量子，每1份能量子等于普朗克常數(shù)乘以輻射電磁波的頻率，即E = hv。
普朗克常數(shù)的數(shù)值是6.62607015 x 10^-34，單位是J.s （焦耳*秒）。
-
那么，怎么根據(jù)普朗克常數(shù)來(lái)定義千克呢
這里就要從它的單位入手。可以看到，普朗克常數(shù)的單位是焦耳每秒。而焦耳本身則是一個(gè)導(dǎo)出單位，它的定義是1牛頓的力使物體在力作用的方向上移動(dòng)1米時(shí)所做的功，我們已經(jīng)知道，牛頓的定義是使1kg的物體有1m/s²的加速度。因此，1焦耳也可以寫成kg⋅m^2⋅s^−2，于是
普朗克常數(shù)的單位也就可以寫成kg⋅m^2⋅s^−1。至此，普朗克常數(shù)便同kg這一基本單位發(fā)生了關(guān)聯(lián)，我們也就可以根據(jù)它來(lái)精確定義千克。
NIST科學(xué)家Stephan Schlamminger的普朗克常數(shù)紋身 | Vox
4把稱和一個(gè)球
然而，難的不是定義，難的是測(cè)量。人們固然更喜歡用普朗克常數(shù)來(lái)定義新的千克，可我們?cè)撛煲慌_(tái)什么樣的儀器，來(lái)對(duì)這個(gè)新的千克進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量呢？為此，人們?cè)炝?件新的“神器”——4把秤和1個(gè)球。秤是雕花金絲楠木……啊不，劃掉，秤是基布爾秤（Kibble balance），又叫瓦特秤（Watt Balance）。它是一種通過電流和電壓的強(qiáng)度精確測(cè)量測(cè)試對(duì)象重量的儀器。由于測(cè)量的質(zhì)量與電流和電壓的乘積（即功率，單位為瓦特）成正比，所以該儀器又被稱為瓦特秤。
基布爾秤 | J. L. Lee / NIST
基布爾秤可以將對(duì)質(zhì)量的測(cè)量等效為對(duì)電磁力的測(cè)量。而這個(gè)電磁力又可以同普朗克常數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。這背后的原理是兩項(xiàng)諾獎(jiǎng)級(jí)的研究。1962年，英國(guó)物理學(xué)家布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）提出了約瑟夫森效應(yīng)；1980年，德國(guó)物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)；前者是一種與電壓有關(guān)的量子效應(yīng)，后者則表明電阻也是量子性的。而我們知道，普朗克常數(shù)是量子力學(xué)的基本常數(shù)。因此，通過電磁力來(lái)平衡質(zhì)量，再通過含有普朗克常數(shù)的公式來(lái)計(jì)算產(chǎn)生這一電磁力的電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)千克的新定義。
圖 | Vox
然而，光有秤還不保險(xiǎn)，科學(xué)家們又造了一個(gè)球，來(lái)確保萬(wàn)無(wú)一失。這個(gè)球是人類有史以來(lái)制造的純度最高、形狀最圓的硅球，由硅-28制成?？茖W(xué)家們對(duì)這個(gè)球進(jìn)行了極其精密的檢測(cè)，其中含量最大的雜質(zhì)是銅，但其含量?jī)H為每克樣品中含有7納克，大概相當(dāng)于每30億個(gè)硅原子中才有1個(gè)銅原子。這個(gè)球純度如此之高，可以用來(lái)更精確地測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)，而根據(jù)某些已知的方程，我們可以根據(jù)阿伏伽德羅常數(shù)來(lái)計(jì)算出普朗克常數(shù)。阿伏伽德羅常數(shù)定義是1摩爾（mol）的原子有多少個(gè)？在教科書上，答案通常是6.02x10^23。但這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，2017年12月的一篇文獻(xiàn)表明，人們借助這個(gè)硅球，已經(jīng)將這一常數(shù)測(cè)到了6.022140588 (65) x 10^23，括號(hào)中的數(shù)字表示最后一位的不確定度，而相對(duì)不確定度則不超過1.73 x 10^-8。有了這4把秤和1個(gè)球，千克的新定義將達(dá)到一個(gè)史無(wú)前例的精確度。國(guó)際計(jì)量大會(huì)曾經(jīng)表示，要至少通過3個(gè)實(shí)驗(yàn)把普朗克常數(shù)的不確定度降低到5 x 10^-8以下，其中一個(gè)還必須達(dá)到2 x 10^-8以下，方能滿足對(duì)千克的新定義的要求。而目前，人類所制造的這4把基布爾秤和1個(gè)硅球，都已滿足要求。
家里有礦的同學(xué)還可以試試用樂高搭個(gè)基布爾秤 | NIST
宇宙的像素更高了
其實(shí)，在本次國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，開爾文（溫度）、安培（電流）、摩爾（物質(zhì)的量）的定義都發(fā)生了改變，它們將分別由玻爾茲曼常數(shù)（k）、基本電荷（e）和阿伏伽德羅常數(shù)（NA）定義。新標(biāo)準(zhǔn)將于2019年5月20日實(shí)施。單純從數(shù)字上來(lái)說，這種變動(dòng)幅度可能不大。但是，其背后反映的卻是，人類已經(jīng)有能力去進(jìn)行更精確的測(cè)量，才能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的定義。而每一次更精確的測(cè)量，則意味著人類眼中，宇宙的像素又變高了。
我們用來(lái)丈量這個(gè)世界的尺子，決定了我們能夠去到的地方。We are what we measure.
參考文獻(xiàn)：
[1].https://www.smithsonianmag.com/science-nature/redefine-kilogram-180970798/
[2].https://www.theverge.com/2018/11/13/18087002/kilogram-new-definition-kg-metric-unit-ipk-measurement
[3].https://www.chemistryworld.com/news/purest-silicon-sphere-ever-created-will-redefine-the-kilogram/3007588.article
[4].http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/aa9abd/meta
[5].https://www.vox.com/science-and-health/2018/11/14/18072368/kilogram-kibble-redefine-weight-science
[6].http://www.npl.co.uk/news/international-system-of-units-overhauled-in-historic-vote
作者: Bearkiii
編輯：EON、En
注明：轉(zhuǎn)載于果殼網(wǎng)（https://www.guokr.com/）
