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文化

「这世界」130 年了,千克的定义要变了

孙若空2017-10-30 14:09:40

当我们对世界的探索已经大到宇宙小到原子的时候,这种微乎其微的变化就变得很重要了

在我们的生活中,充斥着各种计量单位。从前上物理课时,我们学过不少计量单位的定义。比如 1 马力等于每秒钟把 75 公斤重的物体提高 1 米所作的功。那你还记得 1 千克是如何定义的吗?

说起来,这还是一段漫长的故事。

1791 年,关于千克的最初规定是 1 立方分米的纯水在 4℃ 时的质量。

但是这又涉及到了一个问题,就是米这个单位的准确性。等 1875 年米制公约大会开完后,之前那个大家心目中完美的 1 立方米纯水变成了 1.000028 立方分米。于是,国际计量局就开始想有一个能不受其他单位影响的固定的东西来规定千克。

然后,就诞生了国际千克原器。

这是一个由具有较强抗氧化性的 Pt-10Ir 铂铱合金制成的砝码。当时一共做了三个砝码,其中一个选为了原器,由三层玻璃罩子照着,其中一层还抽了半真空,以免被空气、杂质污染。这 130 多年间,这个国际千克原器就一直被放在玻璃罩中保存在国际计量总局位于巴黎的地下室中。

另外,计量总局还做了 40 个复制品,分发给各个国家做基准,二战之前,有国际千克复制件曾是一种荣誉。德国曾经还一口气收缴了 4 个复制品当做战利品来羞辱战败国。

然而,即使保护得非常细致,但国际千克原器还是在这漫长的岁月中慢慢发生了变化。在 2007 年的一次检查中,相关人员发现国际千克原器减轻了大约 50 微克。国际质量和测量局的物理学家里查德·戴维斯说,这个轻是和其他复制品比对出来的。他们也很难弄清到底是原器轻了还是复制品重了。但还用这样一个金属的柱状物来定义 1 千克看起来似乎已经不妥了。

事实上,在这 100 多年中,其他单位的定义方式都发生了变化。比如当年影响了千克的米的定义,已经变为了光在真空中 1/299792458 s(秒)的时间内所通过的距离。 1790 年,它最初的定义是通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位,后来又变成了用一根 3.5 mm×25 mm 矩形截面的铂杆来定义。到今天,千克已经成了唯一用实物来定义的单位。

当然,国际计量总局也已经开始从原子角度来探索千克的定义。 2011 年,CIPM 正式同意从普朗克常数的角度表达千克。然后经过了一系列的测算之后,目前物理学界锁定了两种方法来定义 1 千克。一种是制作一个直径 10 厘米的硅-28 球体然后计算其中的原子数,另一种是靠瓦特天平称重,相关实验对比机械能和电磁能,利用激光来衡量电流和质量。

现在,国际计量总局已经决定要在 2018 年 11 月重新确定千克,届时新的定义方法很快就会成为官方标准,而多国科学家们也在为制作最纯的硅球做最后冲刺。

除了千克,明年的这场计量大会上还会对安培、开尔文和摩尔这些单位做重新的定义。

那么,费老大劲去弄清 1 千克、 1 安培究竟对我们的生活有多大影响呢?事实上,微乎其微。但当我们对世界的探索已经大到宇宙小到原子的时候,这种微乎其微就变得很重要了。同时,国际计量总局也希望通过这次改变保证全世界各个国家都获得相同的 1 千克,这种统一性本身就很重要。

至于那个已经被使用了 130 多年的国际千克原器,过了明年它就不再能定义任何事了,但它将成为一个珍贵的纪念品,被永远保存。


题图来自 PxHere

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