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为什么物理学家要完全重新定义千克

在巴黎郊区Saint-Cloud的深处,在一个只能由三个人用三个不同的钥匙打开的拱顶中,有一大块金属对测量世界至关重要,它只能让它严格控制要清洁和称重的环境。

在过去的129年里,这个铂铱小圆筒定义了千克的重量。Kilogram的国际原型(IPK)不仅仅重1公斤。这是一公斤。如果它的质量上升或下降 - 并且在过去的一个世纪它已经完成了两者 - 那么一公斤的定义也会上升或下降。这就是IPK的重要性,甚至还有一本16页的手册专门用于清理质量。首先,用麂皮擦拭,在乙醇和乙醚的混合物中浸泡48小时,以除去任何杂质。然后用双蒸水喷洒蒸汽。然后将剩余的水用滤纸吸干,或用清洁气体吹掉,然后翻转IPK并再次开始该过程。

总共需要50分钟来清洁IPK,IPK的高度和直径仅为39毫米。国家物理实验室的研究员伊恩罗宾逊说:“这是世界上的质量标准,你不会随之乱动,这非常重要。”他一直致力于重新定义公斤近四十年。但现在IPK的统治几乎即将结束。今天,在度量衡大会- 一个每六年举行一次会议以决定公制系统改革的国际会议 - 的代表们将投票决定停止使用IPK作为公斤的定义。相反,来自40个不同国家的代表将选择将千克的定义基于物理常数。NPL计量主管理查德布朗说,在谨慎的国际测量标准世界中,最后一刻的叛乱通常是闻所未闻的。那IPK有什么问题?Brown解释说,问题在于将定义绑定到物理对象远不如使用物理常量那么有用。“最终公斤的可追溯性是通过在这个国际设施中保存的这种单一材料制品,”他说,但IPK的质量实际上波动了百万分之一公斤,因为它在清洁时会产生污垢或损失质量。会议的目的是将定义转换为永不改变的东西。

对于大多数人来说,千克的这种精确定义并不会改变我们测量面粉或衡量自己的方式,但对于像NPL这样促进各行业精确测量的组织来说,准确计算公斤数是一笔巨大的交易。

作为“公约”的一部分的所有国家 - 建立国际度量衡局(1875年法国首字母缩写,BIPM)的1875年条约 - 都有自己的IPK副本。每40年,这些复制原型通常都是手工运送到巴黎,在那里称重它们与IPK的比较。最后一次称重发生在2014年,为即将进行的重新定义奠定了基础,但之前只进行了三次校准。英国的副本名为Kilogram 18,位于伦敦南部特丁顿的NPL总部的保险箱内。罗宾逊表示,“它的生活非常美好”,尽管重新定义了千克,但很少与千克18本身一起工作。像IPK一样,Kilogram 18 - 所谓的因为它是通过选票分配的第18份副本并分发 - 被保存在两个充满过滤空气的钟罩下。

正是这些副本,国家测量实验室,如NPL,用于设置测量标准和正确校准精密仪器。但问题是没有副本与IPK完全相同。公斤18比IPK重约60微克 - 超重相当于一些小沙粒。而这是在你考虑到IPK本身质量的波动之前,因为它在空气中吸收污染物或在清洁过程中损失了一些合金。

罗宾逊说:“你正在研究质量的稳定性,在任何情况下你都不能获得一公斤的质量,它们都会略微漂移。”“所以你感到困扰的是,你自己的[质量]与IPK的差异是相同的,或者你可以预测这种差异。”

当您为药品等行业制定标准时,这是一个问题,这些行业经常处理低至微克的测量。所有公制质量测量都是从公斤中得出的,当您的球门柱每四十年移动一次时,准确投篮是非常棘手的。这就是为什么罗宾逊和他的同事一直在研究一种能让科学家们永远留下IPK的设备。

大约40年前,罗宾逊开始与他的同事,已故的布莱恩基布尔,在一个称为基布兹平衡的仪器上工作 - 一个复杂的脚手架和电线,从远处看起来它可能是一个航天器,而不是一个重新定义一个的工具我们最重要的计量单位。最初被称为瓦特平衡,但在布莱恩基布尔于2016年去世后重新命名为Kibble平衡,该设备旨在解决一个相当神秘的问题,即如何计算安培 - 一个测量电流流动的单位。1988年,Robinson和Kibble发表了一篇论文,表明可以使用Kibble天平来确定安培的定义,而无需使用由两根平行长度的导线组成的复杂仪器。很快就破解了安培,Robinson和Kibble意识到他们可以使用相同的设备将IPK留在尘埃中。它可以让他们重新定义千克本身。

这是它的工作原理。首先,您需要知道,当您将电流通过线圈时,会产生磁场。这正是扬声器的工作方式 - 它们使用电子信号来打开和关闭电磁铁,导致扬声器锥体振动。Kibble和Robinson意识到的是,你可以平衡这个磁力与物理质量 - 有点像在扬声器锥体上放置一个质量块,并测量你需要通过电磁流动多少电流才能让它移动。

通过巧妙地部署一些物理定律 - 包括赢得其创造者1985年诺贝尔物理学奖的物理定律 - 这两个物理定律可以用电磁力表示质量。有了这些信息,他们就可以使用Kibble平衡来计算普朗克常数 - 这是量子物理学中一个与单个粒子光携带的能量相关的重要数字。

由于Kibble和Robinson知道他们可以通过从质量开始计算普朗克常数,他们也知道他们可以向后工作并从普朗克常数开始得出质量。而且,与IPK不同,普朗克常数不随时间波动。

“你可以在物理学中使用你喜欢的任何方程式,从普朗克常数到质量,”罗宾逊说。“如果你有普朗克常数的值,你可以得到毫克,千克,原子质量。”

如果今天的投票按预期进行,那么在2019年5月20日,将更新国际单位制 - 设定公制测量条款的系统 - 以普朗克常数表示千克。

但千克不是从物理测量值转换为数学常数的七个基本公制单位中的第一个。一米过去被定义为北极和赤道之间距离的千分之一。1983年,BIPM投票决定从光在几分之一秒内通过真空的距离得出仪表。

开尔文也正在升级。目前定义为水可以作为液体,固体和气体存在的温度的一部分,它将很快根据玻尔兹曼常数来定义 - 这个数字与气体中的颗粒能量有关。它将连接千克和安培和摩尔作为最新的公制单位,用基本常数来定义。布朗说,如果一切按计划进行,那么科学界之外的任何人都不会注意到明年公斤转换时的差异。“当我们做出改变时,实际上没有任何改变是非常重要的,”他说。“我们必须绝对肯定,我们将用更好的东西替换它,并且实际上大小相同。”这就是为什么Kilogram 18将返回巴黎进行最后一次会议,将其与IPK进行比较,以准备切换到普朗克常数。之后,标准将来自Kibble天平而不是公斤原型。布朗希望,这将刺激人们努力改善Kibble平衡的全新行业。

罗宾逊已经花了近四十年的时间研究将取代IPK的设备,今天的投票将是一个极其漫长而复杂的过程的结论。毕竟,当你重新定义世界上最基本的测量单位之一时,人们往往行动非常缓慢。罗宾逊说:“我们的目标是1988-90赛季的千克,这只是一项非常困难的工作。”但是现在,当他开始帮助世界测量机构掌握Kibble平衡的新任务时,他会知道在公制的每个重量测量的幕后,他对公斤问题的优雅解决方案正在进行完美无瑕的运动。

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