[科普中國]-新“千克”定義獲得國際計量大會批準，基本單位全面邁向量子化

北京時間11月16日夜間，第26屆國際計量大會于巴黎郊外的凡爾賽鎮(zhèn)召開會議，經(jīng)由成員國一致同意（哈薩克斯坦代表缺席），大會宣布千克定義正式變更。新的千克定義基于基本物理常數(shù)——普朗克常數(shù)，而原先作為千克標準的國際千克原器即將結(jié)束其130年的服役生涯。據(jù)悉，國際單位制中的4個基本單位——質(zhì)量單位千克、電流單位安培、物質(zhì)的量單位摩爾以及溫度單位開爾文改由自然常數(shù)來定義，并于2019年國際計量日（5月20日）起正式生效。千克原本是如何定義的?古代，世界各國之間還沒有形成統(tǒng)一的度量衡，各國各地都有自己的重量計量單位，給國際間物資的流通制造了很大障礙。18世紀末，法國率先牽頭開展了統(tǒng)一國際計量標準的宏偉大業(yè)。法國科學(xué)家用北極到赤道經(jīng)線長度的一千萬分之一定義了1米，進而又用1立方分米水（一升水）的質(zhì)量定義了1千克。米定義曾經(jīng)的依據(jù)是經(jīng)線周長的四分之一；一升的容積，來源：公有領(lǐng)域這個定義在實際使用中會產(chǎn)生很多操作上的麻煩，且不說水的流動性帶來的不便，量取水的體積本身就存在很大的誤差，因此人們自然想到利用某個固體的重量來與上述的千克定義等價。法國政府組織科學(xué)家精確地測量了一升水的質(zhì)量，中間考慮到了水在不同溫度下的密度變化，最終測出了一升水在4攝氏度（此時水密度最大）時較為精確的質(zhì)量，進而著手打造一件金屬制千克基準器。1799年12月，法國檔案局收藏了這件由純鉑制造的國際千克原器，1千克被定義為等同于它的質(zhì)量。這件純鉑原器為世人服務(wù)了90年，在它的生涯后期，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量與最初相比發(fā)生了微妙的變化。于是，1889年，一個由更加穩(wěn)定耐蝕的鉑銥合金打造的新千克原器替代了之前的純鉑原器，并一直服役到今天。它被安置于巴黎塞夫爾的一座城堡中，由雙層玻璃罩包裹，抽成低真空。與此同時，40個左右基于它的復(fù)制品被送到全球各國，這些復(fù)制品本身并沒有被嚴格制作成與原器相同的質(zhì)量，但與原器相比的誤差會嚴格標明，稱為某某國千克原器。各國在用天平校準自己的質(zhì)量量具時，最終的依據(jù)都是本國的千克原器。國際千克原器CG圖（作者： Greg L）和保存在日本產(chǎn)總研的日本千克原器（公有領(lǐng)域）由于這件鉑銥合金原器關(guān)乎全球度量體系的穩(wěn)定，法國政府對其進行了嚴密的保護。存放室的鎖需要由三把鑰匙打開，這三把鑰匙保存在不同人手中，必須三人同時在場，才能打開房間。三位核心成員每年會檢查一次原器的存放情況，確保原器狀況良好。此外，各國的原器也會定期運回巴黎，與真正的原器進行比對校準，不過這種校準目前為止一共只進行了三次而已。作為質(zhì)量的“度量衡”，千克的定義需要更高的精度和穩(wěn)定性千克單位作為一個物理學(xué)的基本量，在科研、加工制造以及我們?nèi)粘Ｉ钪衅鸬健岸攘亢狻钡淖饔?，隨著科技的不斷進步，人們對應(yīng)于這個“度量衡”的精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。鉑銥合金千克原器誕生之初，法國科學(xué)家曾經(jīng)希望它能夠以良好的狀態(tài)為人類服務(wù)至少幾百年。然而，任何有形的物質(zhì)都無法逃脫歲月的操磨，1992年，在利用天平對各國原器進行校準時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)國際千克原器的質(zhì)量明顯變輕了！那么，我們是如何知道原器的質(zhì)量發(fā)生了變化呢？其實，與國際千克原器一同誕生的，還有它的六位孿生兄弟。作為校準用器，它們被保存在同一地點，定期稱重備案。在與其它六個原器進行稱重比對時，真正的原器目前確實比其它六個輕。其它副原器相對國際千克原器的重量變化，作者：Greg L雖然原器的質(zhì)量變化到目前為止也不會超過50微克，但這種依賴于實物的千克定義方式確實令計量科學(xué)家們感到坐立不安。且不說實物原器確實可能發(fā)生狀態(tài)變化，它130年內(nèi)一億分之五（50微克/1千克）的容許精度也已經(jīng)不足以支撐現(xiàn)代科技的發(fā)展。由此，提出基于物理常數(shù)、不會隨著歲月推移發(fā)生變動的新一代千克定義就成為了科學(xué)家們已經(jīng)追求了數(shù)十年的目標。新的千克定義是怎樣的？物理常數(shù)是指物理學(xué)中數(shù)值固定不變的物理量，它們的背后代表了很多宇宙中類似于“真理”的物理關(guān)系。以真空中光速2.99792458×10^8m/s為例，這一數(shù)值雖然可能因為人類科技水平的發(fā)展而得到精度上的提高和修正，但其本身并不依賴于某個實物，可以認為是亙古不變的真理。我們之前提到過米最初的定義是北極到赤道經(jīng)線長度的一千萬分之一，后來法國科學(xué)家也利用鉑金制造過國際米原器。不過從1983年起，米的定義就開始基于真空中的光速了，1米等于光在真空中于1/299792458秒內(nèi)行進的距離。鉑金打造的國際米原器仍然熠熠生輝，來源：公有領(lǐng)域千克的新定義與之類似，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2和普朗克關(guān)系式E=hγ，我們可以推算出，1千克是與頻率為c^2/h的光子的能量等價的質(zhì)量，其中c為已經(jīng)精確測定的真空光速，h為普朗克常數(shù)。鑒于完全理解這個定義需要一定的物理基礎(chǔ)，具體的推導(dǎo)過程我們就不在這里詳細敘述了，各位讀者可以參考利用真空光速定義米來理解這個新定義?？茖W(xué)家們?yōu)樾虑Э硕x的誕生付出了怎樣的努力？用常數(shù)定義單位的方法雖然更加科學(xué)合理，但是它與實物定義相比，最大的困難就是這些常數(shù)本身需要得到精確的測量，否則又談何以他們來定義單位？因此，科學(xué)家們的課題就轉(zhuǎn)變?yōu)榱藢Χx千克所用物理常數(shù)的精確測量。國際千克原器已經(jīng)擁有了一億分之五的精度，新定義在精度方面無論如何也要優(yōu)于這一數(shù)值。實際上，在普朗克常數(shù)最終成為千克新定義的基石之前，阿伏伽德羅常數(shù)的呼聲也非常高，而且阿伏伽德羅常數(shù)本來就與質(zhì)量間存在密切關(guān)系。普朗克常數(shù)最終被選中是因為它本身能夠與一系列電學(xué)相關(guān)的基本單位建立聯(lián)系，和阿伏伽德羅常數(shù)相比在某些方面存在便利性。另外，這兩個常數(shù)間存在嚴格的數(shù)量關(guān)系，得到二者之一，就能夠以相同的精度得到另外一方的數(shù)值。最后，科學(xué)家們決定以兩種方式同時對普朗克常數(shù)進行超高精度測定，再以此為基礎(chǔ)定義千克。其中，日本、德國、加拿大、美國組成的團隊主要負責從測定阿伏伽德羅常數(shù)入手，再將結(jié)果換算為普朗克常數(shù)。經(jīng)過各國科學(xué)家的不斷努力，在阿伏伽德羅常數(shù)被重新精確測定的同時，也將普朗克常數(shù)的精度提高到了一億分之一，精度上大幅超越了國際千克原器。如今，千克的新定義已經(jīng)塵埃落定，在不知不覺間，無數(shù)科學(xué)家為之付出了數(shù)十年的心血。在實現(xiàn)這一定義的過程中，出于對精度的高要求，實驗反復(fù)進行了三輪，終于獲得了圓滿的結(jié)果。其中的艱辛與快樂恐怕只有參與其中的科學(xué)家們才能了解了。阿伏伽德羅（公有領(lǐng)域）與為了精確測量阿伏伽德羅常數(shù)制造的純硅超圓球體（來源CRISO）作者| 張昊 大阪大學(xué)審稿|郭曉楊 大阪大學(xué)激光科學(xué)研究所 助理教授 ; 崔二亮 北京航空航天大學(xué)物理院編輯| 曾丹文章由騰訊科學(xué)“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”參考文獻:1. https://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/bluebacks/no12/2. https://scienceportal.jst.go.jp/news/newsflash_review/newsflash/2017/10/20171026_01.html3. https://gendai.ismedia.jp/articles/-/552284. https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/news/15/a/072100020/?ST=m_news