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文化

“千克”等单位新定义生效,我们离“万世万民”的计量体系又近一步

李童2019-05-22 12:36:13

在人类眼中,宇宙的像素又变高了

5 月 20 日的第 20 个世界计量日上,质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”的新定义正式开始生效。这是国际单位制(SI)自 1960 年以来最大的一次调整。加上此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义,至此 SI 的 7 个基本单位全部实现由常数定义。

计量学家一直追求创造一套适用于“万世万民”(For all people, for all time)的计量体系。如今,我们离这个目标更近了一步:基本单位定义不再受限于任何实体,而取决于事物的基本性质和人类技术的测量能力。

新定义下 7 个基本单位的关系,及决定它们的基本常数。| 图片来源:Wikipedia

7 个基本单位新定义如下:

长度单位米:光在真空中于 299792458 分之一秒内行进的距离。

时间单位秒:铯- 33 原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的 9192631770 个周期的持续时间。

电流单位安培:某点处1 s内通过(1.602176634)⁻¹×10^19个元电荷所对应的电流。

热力学温度单位开尔文:1 开尔文是玻尔兹曼常数为 1.380649×10J·K⁻¹ 时的热力学温度。

物质的量单位摩尔:精确包含 6.02214076×10²³(阿伏伽德罗常量)个基本粒子的系统的物质的量。

发光强度单位坎德拉:一光源在给定方向上发出频率为 540×10s⁻¹ 的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为(683)⁻¹kg·m²·s⁻³ 时的发光强度

质量单位千克:普朗克常数为6.62607015×10⁻³⁴J·s 时的质量。

 国际千克原器“大K ” 丨图片来源:BIPM

在此前的定义中, “千克”一直依托于国际千克原器“大K ”的质量。

大 K 是一块直立圆柱体,由九铂一铱的合金制作,高度和直径均为 39.17 毫米。从 1889 年起,一直被收藏在法国巴黎的国际计量局地下室之中,这所地下室上方,是塞纳河畔的一所 17 世纪皇家狩猎园林。

为保证稳定,大 K 很少被惊扰。只有当各持一把钥匙的国际度量局主任、巴黎国家档案馆主任、世界重量与度量大会主席 3 人齐聚时,才能打开存放的保险柜。每年这 3 人会开启地下室一次,仅仅确认一下大 K 是否还安然待在原地,然后就上锁离开。

为了与大 K 进行对照,当时还制作了 6 个副本,同原器保存在完全相同的环境里。这些副本被称作“大 K 的证人”,通过每 40 年一次的对照,确保大 K 质量不出现重大改变。大 K 和“证人”待遇严格,几乎不会被移动。二战时期德军在地下室附近建立军工厂,该地区遭受美军猛烈轰击,地下也摇动不安,即使如此,人们也仅把“证人”移至其他地方保管,而没有挪动大K ,仅为它加了一层防震箱。

由于大 K 和“证人”都不可轻动,人们为了日常的校准使用,还制作了 10 个工作副本和 40 个国家原型。国家原型分散在 40 个不同国家和地区,是各国的活动参照质量原器。定期会被送回国际度量局加以核对。

大 K 之所以重要是当时安培、开尔文、摩尔、坎德拉等都依赖于质量进行定义。如果大 K 出现问题,整个物理学大厦都将发生巨震。

而国际千克原器保存于法国也有着深远的历史背景。1789 年,法王路易十六召开三级会议,引发法国大革命。民间要求废除贵族特权的呼声不断高涨,其中关于“度量方面”的特权被特别提出。当时各地封建领主为保卫本领地的经济利益都会提出自己独特的度量标准,导致全国度量标准多达 700 种以上,经济状况极为混乱。

为制定全国统一的度量衡,革命政府决定成立标准制定委员会,并邀请著名化学家拉瓦锡来主持工作。出于“选取自然现象或事物为参照物”的原则,1793 年委员会决定,把密度最大时的 1 立方分米的蒸馏水的质量定义为一个标准单位,并称其为法语“grave”,取自拉丁文“重力”。

但这个单词发音近似法语中“伯爵”一词,引发了革命者的强烈不满。革命者认为,新质量单位的名称具有凌驾于时间、长度等单位之上的阶级性,是在创造新的不平等。此后拉瓦锡也被高喊着“共和国不再需要科学家”的民众处死,理由是他曾为买办阶级做事并贩卖假烟。

拉瓦锡死后,数学家拉格朗日被任命为新任标准制定委员会主席。1795 年 4 月 7 日,委员会重新规定,冰的熔点温度下,千分之一立方米的纯水重量为一标准单位,名为“gram”,取自拉丁文“微小的重力”。这即是现在使用的“克”的前身。

但“克”实在太过微小,生活中使用极为不便。人们发现还是拉瓦锡提出的定义更为好用。于是为了规避“grave”一词,人们创造了“千克”这一表达形式。“千克”也成为了目前所有基本单位中唯一带“千”的一个。

1799 年,标准委员会又将定义中水的测量温度从 0 度调整为了 4 度,因为此时水的密度最大,更加严谨。同年为方便校准使用,根据这一定义制作了一个等重的铂金圆柱体,由于这一圆柱体被放置于档案馆中,其质量史称“档案馆公斤”。

“档案馆公斤”沿用近一个世纪,其后伴随物理学快速发展,人们开始要求更为准确的质量单位。1889 年人们制成了更加稳定和坚固的质量原器——大 K 。组成它的铂铱合金是已知最稳定的合金之一。

但纵使小心保管,大 K 的质量也并不稳定。每 40 年接受清洁后,大 K 会与“证人”上称“对证”。到今天,大 K 已莫名损失了约 50 微克的质量,这大概相当于一枚指纹的重量。人们不清楚其中的原因,也不清楚这是大 K 质量单独发生了变化还是大 K 与证人的质量同时发生了变化。

因此伴随人们测量手段的提高,新的质量单位定义方式也被提上日程。

普朗克常数是量子力学中用来计算光子能量的一个常数,单位为焦耳·秒。而焦耳的定义是 1 牛顿的力使物体在力作用方向上移动 1 米时所做的功。又知牛顿的定义是使 1 千克的物体有 1m/s² 的加速度。因此,1 焦耳可以写成千克⋅米2⋅秒−2,于是普朗克常数的单位也可写成千克⋅米2⋅秒−1。由此便可直接用“普朗克常数”推出“千克”。

 基布尔天平。丨图片来源:J. L. Lee / NIST 

“千克”新定义制定过程中,最难的不是敲定概念,而是测定准确的“普朗克常数”。

测定过程中,用到了“基布尔天平”(又称瓦特天平),该天平可将对质量的测量等效为对电磁力的测量。通过计算产生这一电磁力的电压和电流,便可算出普朗克常数。

说来简单,实际上这一实验极其难做。曾被《自然》杂志评为“最具挑战性的五大实验”之一,仅次于希格斯玻色子探测试验和引力波验证实验之后。

此次确定过程中,来自不同国家的 5 个团队共同商定一个普朗克常数值,并利用本国的“千克”原器进行验证,核验误差合格后,最终确定了 2018 年 11 月公布的6.62607015×10⁻³⁴J·s 这一数值。

此次基本单位定义的改变对普通人来说没有太大影响,但会给科学研究、高精尖技术领域、制造业带来更为精确的可能。以果壳作者 Bearkiii 的话来说,意味着在人类眼中,宇宙的像素又变高了。


题图来自Wikipedia。

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