定义“千克”的仪器不准了！昨天，它惨遭全世界抛弃

2018-11-17 13:42来源:

原标题：定义“千克”的仪器不准了！昨天，它惨遭全世界抛弃

11月16日，在新一届国际计量大会上，科学家们通过投票，正式让国际千克原器退役，改以普朗克常数（符号是h）作为新标准来重新定义“千克”。

这是一个对重量“斤斤计较”的时代。

我们可能站在体重秤上抱怨减肥失败，或者怒斥小贩卖菜时偷斤少两。然而，我们大部分人都不知道的是，重量本身就存在一个问题――它的单位“千克”可能不那么可靠了。

为什么这么说呢？这得先从一件拥有129年历史的“神器”谈起。我们现在用来表示重量的基本单位kg（千克），就是由它来定义的。

这件神器自诞生起一直存放于国际计量局，被称为国际千克原器（ipk）或者“大k”。大k是一块由铂铱合金制作的、高度和直径均为39.17毫米的直立圆柱体。它被安放在法国巴黎郊区的一个保险箱里，与世隔绝而且一直受到严密的监控。同时，大k在各国还有很多复制品，每隔40年，人们都会将大k和复制品进行比对，以确定全世界的重量处于同一个系统。

国际千克原器 | bipm

然而，再精密的人工制品，都无法真正做到“重量恒久远，一颗永流传”。事实上，尽管铂铱合金是已知最稳定的合金之一，甚至大k几乎一直“蹲在监牢”中，但人们发现，它很可能已经损失了大约50微克的重量。

牵一发动全身

当然，由于大k正是千克这一单位的定义，所以技术上来说，我们并不能说它损失了重量。我们只能说，整个世界变重了一点。（我似乎又可以心安理得地吃下一块榴莲酥了。）

尽管50微克大概只相当于一根眼睫毛的重量，但如果用来计量的量度本身发生了变化，那么它将会给建立在它之上的整个系统带来巨大的影响。千克属于7个基本物理单位，而其他物理单位都可以从基本单位导出。例如力的单位牛顿，就是定义为使1kg的物体有1m/s2的加速度。

然而，千克这一单位的变动不仅会影响导出单位，更严重的是，它还会影响到其它标准单位。如果大k的质量发生变动，前文所述的力的单位牛顿也会发生变动，随即影响到另一基本单位“安培”，安培的变动又会改变一系列电磁学单位，例如库仑（电荷）、伏特（电压）、特斯拉（磁场）、韦伯（磁通）等等。

这些单位的变动将动摇整个人类社会的基础，各行各业都将不得不重新检视已有的标准。特别是那些对质量变化极其敏感的行业。比如制药业，50微克可以说是一个很大的数字了。因此，在基本单位这件事上面，牵一发而动全身不是虚言。

于是，在秦始皇统一度量衡几千年后，用来统一度量衡本身的量度，是时候更严谨的定义一下了。

重新定义新千克

事实上，在7个基本单位中，千克是最后一个通过人工制品定义的单位了。其他单位都已经改由某些自然常数来定义。

比如长度单位米，其定义为光在真空中于1?299792458秒内行进的距离。时间单位秒的定义稍微复杂一些，它表示铯-133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。

七个基本单位及新定义 | 国际计量局

为什么要根据某些常数来定义基本单位呢？

因为基本单位最重要的一个原则是：for all people, for all time――不因使用者也不因使用时间的改变而改变。目前的大k根本无法满足这两条要求。因此，人们一直在思考如何对其进行新的定义。

11月16日，在新一届国际计量大会上，科学家们通过投票，正式让国际千克原器退役，改以普朗克常数（符号是h）作为新标准来重新定义“千克”。

普朗克常数（记为h）是量子力学中用来计算光子能量的一个常数，它由著名科学家马克斯・普朗克提出。普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和实验结果相符。这样的一份能量叫做能量子，每1份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率，即e = hv。普朗克常数的数值是6.62607015 x 10^-34，单位是j.s（焦耳*秒）。

那么，怎么根据普朗克常数来定义千克呢？

这里就要从它的单位入手。可以看到，普朗克常数的单位是焦耳每秒。而焦耳本身则是一个导出单位，它的定义是1牛顿的力使物体在力作用的方向上移动1米时所做的功，我们已经知道，牛顿的定义是使1kg的物体有1m/s2的加速度。因此，1焦耳也可以写成kg?m^2?s^?2，于是普朗克常数的单位也就可以写成kg?m^2?s^?1。至此，普朗克常数便同kg这一基本单位发生了关联，我们也就可以根据它来精确定义千克。

nist科学家stephan schlamminger的普朗克常数纹身 | vox

4把秤和1个球

然而，难的不是定义，难的是测量。人们固然更喜欢用普朗克常数来定义新的千克，可我们该造一台什么样的仪器，来对这个新的千克进行标准测量呢？

为此，人们造了5件新的“神器”――4把秤和1个球。

秤是雕花金丝楠木……啊不，划掉，秤是基布尔秤（kibble balance），又叫瓦特秤（watt balance）。它是一种通过电流和电压的强度精确测量测试对象重量的仪器。由于测量的质量与电流和电压的乘积（即功率，单位为瓦特）成正比，所以该仪器又被称为瓦特秤。

基布尔秤 | j. l. lee / nist

基布尔秤可以将对质量的测量等效为对电磁力的测量。而这个电磁力又可以同普朗克常数关联起来。这背后的原理是两项诺奖级的研究。

1962年，英国物理学家布赖恩・约瑟夫森（brian josephson）提出了约瑟夫森效应；1980年，德国物理学家克劳斯・冯・克利青（klaus von klitzing）发现了量子霍尔效应；前者是一种与电压有关的量子效应，后者则表明电阻也是量子性的。而我们知道，普朗克常数是量子力学的基本常数。因此，通过电磁力来平衡质量，再通过含有普朗克常数的公式来计算产生这一电磁力的电压和电流，从而实现对千克的新定义。

图 | vox

然而，光有秤还不保险，科学家们又造了一个球，来确保万无一失。这个球是人类有史以来制造的纯度最高、形状最圆的硅球，由硅-28制成。科学家们对这个球进行了极其精密的检测，其中含量最大的杂质是铜，但其含量仅为每克样品中含有7纳克，大概相当于每30亿个硅原子中才有1个铜原子。

这个球纯度如此之高，可以用来更精确地测量阿伏伽德罗常数，而根据某些已知的方程，我们可以根据阿伏伽德罗常数来计算出普朗克常数。阿伏伽德罗常数定义是1摩尔（mol）的原子有多少个？在教科书上，答案通常是6.02x10^23。但这个精度远远不够，2017年12月的一篇文献表明，人们借助这个硅球，已经将这一常数测到了6.022140588 (65) x 10^23，括号中的数字表示最后一位的不确定度，而相对不确定度则不超过1.73 x 10^-8。

有了这4把秤和1个球，千克的新定义将达到一个史无前例的精确度。国际计量大会曾经表示，要至少通过3个实验把普朗克常数的不确定度降低到5 x 10^-8以下，其中一个还必须达到2 x 10^-8以下，方能满足对千克的新定义的要求。而目前，人类所制造的这4把基布尔秤和1个硅球，都已满足要求。

家里有矿的同学还可以试试用乐高搭个基布尔秤 | nist

宇宙的像素更高了

其实，在本次国际计量大会上，开尔文（温度）、安培（电流）、摩尔（物质的量）的定义都发生了改变，它们将分别由玻尔兹曼常数（k）、基本电荷（e）和阿伏伽德罗常数（na）定义。新标准将于2019年5月20日实施。

单纯从数字上来说，这种变动幅度可能不大。但是，其背后反映的却是，人类已经有能力去进行更精确的测量，才能够实现更精确的定义。而每一次更精确的测量，则意味着人类眼中，宇宙的像素又变高了。

我们用来丈量这个世界的尺子，决定了我们能够去到的地方。

we are what we measure.

参考文献：

[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

编辑：eon、ent

一个ai

课本上的定义要改了吧……嘻嘻

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