[科普中国]-新“千克”定义获得国际计量大会批准，基本单位全面迈向量子化

北京时间11月16日夜间，第26届国际计量大会于巴黎郊外的凡尔赛镇召开会议，经由成员国一致同意（哈萨克斯坦代表缺席），大会宣布千克定义正式变更。新的千克定义基于基本物理常数——普朗克常数，而原先作为千克标准的国际千克原器即将结束其130年的服役生涯。据悉，国际单位制中的4个基本单位——质量单位千克、电流单位安培、物质的量单位摩尔以及温度单位开尔文改由自然常数来定义，并于2019年国际计量日（5月20日）起正式生效。千克原本是如何定义的?古代，世界各国之间还没有形成统一的度量衡，各国各地都有自己的重量计量单位，给国际间物资的流通制造了很大障碍。18世纪末，法国率先牵头开展了统一国际计量标准的宏伟大业。法国科学家用北极到赤道经线长度的一千万分之一定义了1米，进而又用1立方分米水（一升水）的质量定义了1千克。米定义曾经的依据是经线周长的四分之一；一升的容积，来源：公有领域这个定义在实际使用中会产生很多操作上的麻烦，且不说水的流动性带来的不便，量取水的体积本身就存在很大的误差，因此人们自然想到利用某个固体的重量来与上述的千克定义等价。法国政府组织科学家精确地测量了一升水的质量，中间考虑到了水在不同温度下的密度变化，最终测出了一升水在4摄氏度（此时水密度最大）时较为精确的质量，进而着手打造一件金属制千克基准器。1799年12月，法国档案局收藏了这件由纯铂制造的国际千克原器，1千克被定义为等同于它的质量。这件纯铂原器为世人服务了90年，在它的生涯后期，人们已经发现它的质量与最初相比发生了微妙的变化。于是，1889年，一个由更加稳定耐蚀的铂铱合金打造的新千克原器替代了之前的纯铂原器，并一直服役到今天。它被安置于巴黎塞夫尔的一座城堡中，由双层玻璃罩包裹，抽成低真空。与此同时，40个左右基于它的复制品被送到全球各国，这些复制品本身并没有被严格制作成与原器相同的质量，但与原器相比的误差会严格标明，称为某某国千克原器。各国在用天平校准自己的质量量具时，最终的依据都是本国的千克原器。国际千克原器CG图（作者： Greg L）和保存在日本产总研的日本千克原器（公有领域）由于这件铂铱合金原器关乎全球度量体系的稳定，法国政府对其进行了严密的保护。存放室的锁需要由三把钥匙打开，这三把钥匙保存在不同人手中，必须三人同时在场，才能打开房间。三位核心成员每年会检查一次原器的存放情况，确保原器状况良好。此外，各国的原器也会定期运回巴黎，与真正的原器进行比对校准，不过这种校准目前为止一共只进行了三次而已。作为质量的“度量衡”，千克的定义需要更高的精度和稳定性千克单位作为一个物理学的基本量，在科研、加工制造以及我们日常生活中起到“度量衡”的作用，随着科技的不断进步，人们对应于这个“度量衡”的精度和稳定性提出了更高的要求。铂铱合金千克原器诞生之初，法国科学家曾经希望它能够以良好的状态为人类服务至少几百年。然而，任何有形的物质都无法逃脱岁月的操磨，1992年，在利用天平对各国原器进行校准时，科学家们发现国际千克原器的质量明显变轻了！那么，我们是如何知道原器的质量发生了变化呢？其实，与国际千克原器一同诞生的，还有它的六位孪生兄弟。作为校准用器，它们被保存在同一地点，定期称重备案。在与其它六个原器进行称重比对时，真正的原器目前确实比其它六个轻。其它副原器相对国际千克原器的重量变化，作者：Greg L虽然原器的质量变化到目前为止也不会超过50微克，但这种依赖于实物的千克定义方式确实令计量科学家们感到坐立不安。且不说实物原器确实可能发生状态变化，它130年内一亿分之五（50微克/1千克）的容许精度也已经不足以支撑现代科技的发展。由此，提出基于物理常数、不会随着岁月推移发生变动的新一代千克定义就成为了科学家们已经追求了数十年的目标。新的千克定义是怎样的？物理常数是指物理学中数值固定不变的物理量，它们的背后代表了很多宇宙中类似于“真理”的物理关系。以真空中光速2.99792458×10^8m/s为例，这一数值虽然可能因为人类科技水平的发展而得到精度上的提高和修正，但其本身并不依赖于某个实物，可以认为是亘古不变的真理。我们之前提到过米最初的定义是北极到赤道经线长度的一千万分之一，后来法国科学家也利用铂金制造过国际米原器。不过从1983年起，米的定义就开始基于真空中的光速了，1米等于光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。铂金打造的国际米原器仍然熠熠生辉，来源：公有领域千克的新定义与之类似，根据爱因斯坦质能方程E=mc^2和普朗克关系式E=hγ，我们可以推算出，1千克是与频率为c^2/h的光子的能量等价的质量，其中c为已经精确测定的真空光速，h为普朗克常数。鉴于完全理解这个定义需要一定的物理基础，具体的推导过程我们就不在这里详细叙述了，各位读者可以参考利用真空光速定义米来理解这个新定义。科学家们为新千克定义的诞生付出了怎样的努力？用常数定义单位的方法虽然更加科学合理，但是它与实物定义相比，最大的困难就是这些常数本身需要得到精确的测量，否则又谈何以他们来定义单位？因此，科学家们的课题就转变为了对定义千克所用物理常数的精确测量。国际千克原器已经拥有了一亿分之五的精度，新定义在精度方面无论如何也要优于这一数值。实际上，在普朗克常数最终成为千克新定义的基石之前，阿伏伽德罗常数的呼声也非常高，而且阿伏伽德罗常数本来就与质量间存在密切关系。普朗克常数最终被选中是因为它本身能够与一系列电学相关的基本单位建立联系，和阿伏伽德罗常数相比在某些方面存在便利性。另外，这两个常数间存在严格的数量关系，得到二者之一，就能够以相同的精度得到另外一方的数值。最后，科学家们决定以两种方式同时对普朗克常数进行超高精度测定，再以此为基础定义千克。其中，日本、德国、加拿大、美国组成的团队主要负责从测定阿伏伽德罗常数入手，再将结果换算为普朗克常数。经过各国科学家的不断努力，在阿伏伽德罗常数被重新精确测定的同时，也将普朗克常数的精度提高到了一亿分之一，精度上大幅超越了国际千克原器。如今，千克的新定义已经尘埃落定，在不知不觉间，无数科学家为之付出了数十年的心血。在实现这一定义的过程中，出于对精度的高要求，实验反复进行了三轮，终于获得了圆满的结果。其中的艰辛与快乐恐怕只有参与其中的科学家们才能了解了。阿伏伽德罗（公有领域）与为了精确测量阿伏伽德罗常数制造的纯硅超圆球体（来源CRISO）作者| 张昊 大阪大学审稿|郭晓杨 大阪大学激光科学研究所 助理教授 ; 崔二亮 北京航空航天大学物理院编辑| 曾丹文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”参考文献: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