千克是一個有127年曆史的遺物。它是國際單位制中最後一個仍然基於物理物件的測量標準——一個高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體,位於巴黎郊外的一個金庫中。它被鎖在保險庫中,並用三個真空密封的玻璃鐘形罩固定,放置在國際計量局的溫控室內。最少量的灰塵、溼氣或指紋油汙都可能改變圓柱體的質量。* 事實上,所謂的Le Grand K受到了嚴密的保護,看守人員每40年才將其取出一次,以便世界各地的其他原型可以與之進行比較。即便如此,也無法判斷變化是由Le Grand K質量減輕還是其副本之一因汙染而增加質量造成的。
美國國家標準與技術研究院的物理學家斯特凡·施拉明格表示,對於現代科學來說,這是一個嚴重的問題,因為許多技術都依賴於千克的精確測量。這就是為什麼幾十年來,科學家們一直希望根據自然界中發現的常數重新定義千克——這一成就將提供一個更穩定(且更易於訪問)的測量單位。
施拉明格和他的團隊最近報告說,他們已經為實現這一壯舉鋪平了道路,他們使用了普朗克常數,這是一個數學值,描述了光子的能量與其頻率之間的聯絡,並且可以透過愛因斯坦著名的方程E = mc2與質量相關聯。正如《科學儀器評論》中詳細介紹的那樣,美國國家標準與技術研究院團隊使用一種名為瓦特天平的高科技秤測量了普朗克常數。
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研究人員將一個已知質量放在天平的一端,然後透過將電流透過懸浮在磁場中的可移動線圈來平衡它。然後,他們使用電磁力測量了普朗克常數,精度達到十億分之34。
在世界根據普朗克常數重新定義千克之前,多個團隊必須在2017年7月之前釋出獨立的測量結果。在2018年國際計量大會上,屆時將評估每個小組的資料,包括透過計算矽球中的原子數計算出的常數。一個複雜的計算機程式隨後將篩選這些數字,以得出最終值。只有到那時,Le Grand K才能退休到盧浮宮,與舊米尺和其他文物並列。
數字解讀
6.626 069 83 × 10−34 千克 米2/秒
使用NIST-4瓦特天平測量的普朗克常數
0.000 000 22 × 10−34 千克 米2/秒(或十億分之34)
斯特凡·施拉明格團隊測量的測量不確定度水平
230 英里
華盛頓特區和紐約市之間的駕駛距離
0.5 英寸
距離測量的不確定度水平,與十億分之34相當
來源:美國國家標準與技術研究院**
*編者注(11/10/16):印刷文章中的這句話在網上釋出後被更改。原文錯誤地聲稱Le Grand K圓柱體的收縮或膨脹會改變其質量。
**編者注(9/6/16):印刷文章錯誤地將來源歸為美國國立衛生研究院。該錯誤在網上釋出後已得到糾正。
國際單位制的簡史
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