【行業(yè)新聞】千克等單位被重新定義，國際單位制進(jìn)入“量子時(shí)代”
11月16日，第26屆國際度量衡大會(huì)經(jīng)過60個(gè)成員國代表的投票表決，重新定義了千克，新定義以普朗克常數(shù)為基準(zhǔn)，有一百多年歷史的國際千克原器“大K”即將退出舞臺(tái)。安培、開爾文和摩爾的定義也被更新，這是國際單位制于 1960 年正式公布以來最大的一次調(diào)整。
圖片來源：Wikipedia
北京時(shí)間11月16日晚，在第 26 屆國際度量衡大會(huì)（General Conference on Weights and Measures，GCWM）上，60 個(gè)成員國代表投票通過了一項(xiàng)歷史性的決策，對(duì)千克、安培、開爾文和摩爾的定義進(jìn)行了更新。
有賴于科學(xué)家近年來對(duì)相關(guān)常數(shù)的精確測量，這次變更之后，7 個(gè)基本度量標(biāo)準(zhǔn)全部使用物理常數(shù)定義，而不依賴于實(shí)體。新標(biāo)準(zhǔn)將于 2019 年 5 月 20 日開始實(shí)施。
再見了，大K
在這次變更的定義中，千克無疑是最受關(guān)注的一個(gè)。在國際單位制（SI）家族的 7 個(gè)基本單位中，千克曾經(jīng)是最后一個(gè)依賴于實(shí)體進(jìn)行定義的單位。在過去一百多年中，全世界的質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)都以國際千克原器“大K”（Le Grand K）為參照，這是一個(gè)鉑-銥合金圓柱體，被保存在位于法國巴黎的國際度量衡局（International Bureau of Weights and Measures，BIPM）的地下室里，受到重重保護(hù)。許多國家也都保存著各自的千克原器。
圖片來源：Wikipedia
其他單位的定義最初也與千克相似，取決于某些特定的實(shí)體。以長度單位米為例，法國科學(xué)院 1791 年將米定義為 1/4 個(gè)地球周長的一千萬分之一，而地球的周長由通過巴黎和地球南北極的經(jīng)圈來確定。
計(jì)量學(xué)家始終致力于制定一套普適的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠通行于過去、現(xiàn)在和未來，適用于地球或遙遠(yuǎn)的星系。像“拃”或者國王腳長這樣的單位顯然是不行的，甚至地球的形狀也并非恒定，自然常數(shù)才是理想的選擇。
還有一個(gè)問題讓制定新的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)變得更加迫切：大 K 的質(zhì)量正在神秘丟失。通過和副本進(jìn)行交叉對(duì)比，計(jì)量學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它在一個(gè)世紀(jì)內(nèi)“瘦”了 50 微克，相當(dāng)于一根眼睫毛的重量。而由于整個(gè)測量體系環(huán)環(huán)相扣，其他許多物理單位都與質(zhì)量有關(guān)，甚至包括一些基本常數(shù)的數(shù)值，這種微小的改變最終足以危及整個(gè)物理世界的根基。
幾十年前，計(jì)量學(xué)家用光速和銫原子鐘分別重新定義了米和秒。隨著近年來科學(xué)家對(duì)自然常數(shù)的測量精度不斷提高，其他單位的定義也得以更新，更加完美、恒久的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)終將成為可能。
你好，普朗克
新的千克定義將以普朗克常數(shù)為基準(zhǔn)。普朗克常數(shù)代表了量子物理中“一份”能量的大小，而能量可以在宏觀或微觀尺度進(jìn)行測量。在實(shí)際操作中，那個(gè)連接量子世界與宏觀尺度的“任意門”就是基布爾秤（Kibble’s balance）。
圖片來源：Wikipedia
基布爾秤是一種極其復(fù)雜的裝置，它的秤盤底部安裝了線圈，下方是超導(dǎo)電磁鐵，有兩種不同的工作模式。在“稱量模式”（weighing mode），電流通過線圈，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與下方的磁體互斥，托起秤盤上的物體，這時(shí)就可以通過測量相關(guān)參數(shù)，算出物體的重量。而在“速度模式”（velocity mode），秤盤上不放物體，電機(jī)牽引秤盤在磁場中勻速上升，在線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓。
再借助約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect）和馮·克里青常數(shù)（von Klitzing constant），分別對(duì)電壓和電阻進(jìn)行量子化計(jì)算，質(zhì)量單位和普朗克常數(shù)最終將能夠被納入同一個(gè)方程中。簡而言之，如果已知普朗克常數(shù)或測試質(zhì)量的其中一個(gè)值，就可以用基布爾秤精確測量另一個(gè)值。
圖片來源：NIST；翻譯：科研圈
為了讓測量結(jié)果盡可能精確，基布爾秤實(shí)驗(yàn)過程中還需要考慮當(dāng)?shù)貧鈮骸⒁Σ▌?dòng)甚至潮汐的影響?！蹲匀弧罚∟ature）期刊曾將基布爾秤實(shí)驗(yàn)選為 2012 年最困難的五個(gè)物理實(shí)驗(yàn)之一，位列尋找希格斯玻色子和探測引力波之后。
近年來，借助基布爾秤和多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)千克原器，5 個(gè)國家的國家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室共同確定了普朗克常數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，讓重新定義千克成為可能。中國科學(xué)家方浩（Hao Fang）、李世松（Shisong Li）在 BIPM 基布爾秤團(tuán)隊(duì)參與了這一項(xiàng)目。
歡迎來到量子時(shí)代
新的千克定義解釋起來可能有些復(fù)雜。根據(jù)最新測量結(jié)果，普朗克常數(shù)h = 6.62607015 ×10?34 kg m2 s?1，即 1kg = h / 6.62607015 ×10?34 m-2 s。
將其中的米（m）和秒（s）分別用光速 c 和銫133 原子共振頻率 ?νCs 定義：
光速 c = 299792458 m s?1，因此1m = 1/ 299792458 c·s； 銫133 原子共振頻率 ?νCs = 9192631770 Hz，即 1s = 9192631770 / ?νCs ；
代入前面的公式，得到了新的千克定義：
確實(shí)有點(diǎn)復(fù)雜。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）物理學(xué)家詹姆斯·奧托夫（James Olthoff）告訴《科學(xué)》（Science），計(jì)量學(xué)家們確實(shí)考慮過更直接的方法，例如計(jì)算特定數(shù)量的某種原子的質(zhì)量，但是這不夠?qū)嶋H，并且研究人員已經(jīng)用數(shù)原子的方式確定了阿伏伽德羅常數(shù)，進(jìn)而重新定義了摩爾。過去 1 摩爾被定義為“所含基本微粒個(gè)數(shù)與 0.012 千克碳12 的原子數(shù)相等的系統(tǒng)中物質(zhì)的量”，而新的阿伏伽德羅常數(shù)通過計(jì)算一個(gè)重 1 千克的高純度硅球（硅28）中的原子數(shù)得出，自此切斷了摩爾的定義與千克之間聯(lián)系。
摩爾的定義也在這次會(huì)議上得到了更新，一同“升級(jí)”的還有安培和開爾文，分別基于基本電荷和玻爾茲曼常數(shù)定義。那些進(jìn)行高精度測量的科學(xué)家可能會(huì)需要調(diào)整自己的工作，不過對(duì)于大多數(shù)普通人來說，定義的變更不會(huì)帶來什么可見的影響——以安培為例，這次更新后電壓單位伏特的大小波動(dòng)大約在千萬分之一，電阻單位受到的影響還要更小。
來源：儀器協(xié)會(huì)
上一篇:【行業(yè)新聞】植提行業(yè)勢態(tài)好，傳統(tǒng)的煎煮、回流提取方法被現(xiàn)代科學(xué)儀器逐步取代
