国际度量衡经历逾百年来最大变革(图)

2018-03-05 12:18:38

安培、千克、开尔文和摩尔改以常量定义 即将退休的国际千克原器(维基百科) 在11月16日法国凡尔赛举行的第26届国际度量衡大会上,来自世界60多个国家的代表投票决定重新定义安培、千克、开尔文和摩尔这四个单位这是一场自1875年以来最大的国际度量衡系统的变革 全新的度量衡定义结构采用自然界常量作为基础定义,完全切断了目前系统与实体标杆物的联系很多单位又在其它单位的基础上进行定义,比如,“千克”的定义需要用到普朗克常量,以及“秒”和“米”的定义 在新的系统下,度量衡单位可以更准确地从世界各地生成,而且在各处保持一致这些变化中最吸睛的要数存放在法国巴黎国际计量局中的高度和宽度都为39.17毫米的合金圆柱体——国际千克原器(IPK)的退休了这些变化将于2019年5月20日国际度量衡日生效 什么是度量衡系统实体和常量基准 丈量任何东西,从称量几毫克的药品到全球坐标定位系统,都少不了要有个参照物,因此世界范围内需要各种具有统一标准的参照单位让各处的物体可以在相同的基准上进行比较这些单位也就是度量衡单位 在这次变革之前,世界各地对质量的丈量,都要以锁在法国的实体——千克原器作为基准 用自然界常量来定义度量衡单位的想法,从19世纪末就有了,可是科学家们花了近150年的时间才达到足够的精确度 质量单位“千克”的变化 新定义将使用普朗克常数(h)来定义质量普朗克常数是光子的频率与其能量之间的纽带:能量(E)=普朗克常数 x光子的频率再利用爱因斯坦的质能转换公式:E= mc2,于是得到质量(m)与普朗克常数和光子频率之间的关系 这就牵扯到对普朗克常数的精确计算目前有两种方法 一种使用以其发明者Bryan Kibble命名的基布尔秤(Kibble balance),把已知的质量与电磁场进行对比而得出的普朗克常数进行衡量 另一种方法是计算两个硅-28球体内原子数量测出阿伏伽德罗常量(Avogadro),再转换为普朗克常量 使用两种方法得出的普朗克常量之间一直存在差别,直到2015年这个差值才缩小到可接受的范围——约1000万分之几 就像1983年,人们把光速确定下来作为距离单位“米”的基础常量一样,现在两种方法测量得到的普朗克值将来也得确定下来作为定义“千克”的基础 然而目前还没能解决差值问题国际度量衡局(BIPM)的度量衡学家Estefania de Mirandes说,在两种方法得出的差异解决之前,BIPM都将担任仲裁的角色该机构将让两方团队衡量相同的物体,然后用双方测得的质量均值,作为世界各地称量的基准 完全解决两种方法的差值可能还需要花10年的时间,Mirandés说 另外,基布尔秤仍是相当昂贵的仪器,而且有一个小房间那么大,全世界只有五个实验室有基布尔秤美国国家标准与技术研究所(NIST)和英国、德国的国家级实验室正在合作,制造成本低一些、体积小一些的基布尔秤,希望将来各公司、规模小一些的实验室也能拥有自己的基布尔秤为质量校准 其它单位的变化 ●电流单位“安培” 1948年第9届国际计量大会对安培(A)下的定义为:“真空中,截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内,通以等量恒定电流时,若导线间相互作用在每米长度上的力为2×10–7牛顿,则每根导线中的电流为1安培” 这次新系统中,改用以单个电子的电量为基础作为定义基准,因为单个电子带1.602176634×10–19库伦(C)的电量,所以1安培被定义为每秒钟有1/(1.602176634×10–19)个电子流过时所产生的电流 ●温度单位“开尔文” 开尔文(K)将改用与能量和温度关联的玻尔兹曼(k)常数进行定义,废除目前以水的“三相点”的参考基准:k=1.380649×10–23 J/K ●物质的量单位“摩尔” 摩尔(mol)之前定义为:“拥有与12公克碳-12(碳元素中相对原子质量为12的原子)所含原子数量相同的基本微粒的系统,其物质的量为1摩尔” 新定义改用阿伏伽德罗常数(NA),即由6.02214076×1023个特定基础粒子组成的系统的物质的量 下一步工作——对“秒”的重新定义 NIST的物理学家David Newell说,这项里程碑式的变化并不意味着新系统就是完美的了度量衡学家下一步还要改善对时间单位“秒”的定义,可能还有更多单位也将加入到这一新系统中来 当前秒的定义是与铯-133原子吸收和放出的微波频率相关然而现在利用不同原子与更高频率可见光互动的“光学钟”,几乎能把时间误差缩小到:在和宇宙年龄相当的时间跨度中误差只有1秒的程度 度量衡学家们预期在2026年实现对“秒”定义的更新为了实现这个目标,度量衡业界需把世界各地的光学钟进行对比,决定用哪种原子作为标准“那将会是一个政治皮球”Newell说 对1875年成立的国际度量衡局来说,这次的变革是苦乐参半的会上的发言人高兴地打趣说,以后不用再去巴黎了他们接下来要扮演好把世界各地生成的度量衡基准值进行对比、仲裁的角色,确保它们的准确度 Mirandes说:“这是一个时代的结束,