“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-05-29

瓦特天平作为“千克”的新“掌门”,是一种具有高科技含量的“称”,并且具有“一称衡天下”的传奇魔力!

“大K”是谁?原来,“大K”是国际千克原器的昵称。从日常生活到尖端科技,千克的重要性不言而喻。129年来,“国际千克原器”一直是令世界仰视的千克最高基准,具有极其神圣的地位!然而,千克作为目前唯一依靠实物基准进行复现的基本单位,在稳定性和准确性方面面临着重大的挑战。

2018年注定要成为一个计量史上具有重要历史意义的时间节点。因为国际度量衡委员会(CIPM)计划在2018年11月召开大会,对质量单位“千克”进行重新定义,届时普朗克常数测量值将作为定义的新基准。而普朗克常数的精密测量需要借助于一种高度复杂的仪器,这种“天平”叫做瓦特天平。

鉴于该“天平”在“千克”新定义中的特殊地位,称其为“千克”定义的新“掌门”恰如其分。那么,“千克原器”为什么要退休?那新“掌门”又是何方神圣呢? 

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

新“掌门”把千克推向量子时代(网络图)

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

新SI基本单位及其对应的定义常数

“大K”的百年辉煌和无奈

国际千克原器(The International Prototype Kilogram),简称IPK,昵称“大K”。看上去,它只不过是个圆胖子,高39毫米,底面直径也为39毫米。不过这个圆胖子可是所有国家质量标准之源哦!

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

国际千克原器(网络图)

1799年,法国科学家提出了千克最初的定义,即1立方分米纯水在最大密度(温度约为4摄氏度)时的质量定为1千克。很显然,最初的千克质量单位是由法国的长度单位米推导出来的。并且,法国用纯铂制成了千克原器基准。

后来,科学家发现这个千克原器基准并不准确。1878年,国际计量局制造了3个千克原器的复制品,为含90%铂和10%铱的铂铱合金圆柱体。

1889年,在第1届国际计量大会上,决定把其中质量最接近原千克原器的一个作为国际千克原器,并存放于国际计量局。自此,国际千克原器(IPK)就一直保存在国际度量衡局总部(巴黎)的地下室。并且,“大K”被严密保存在三重钟形玻璃罩里,旁边还有6个同为1千克标准的官方复制品。最外一层玻璃罩内被抽成半真空,以防空气和杂质的进入。

即便如此严密地保存,“大K”还是由于表面的吸附作用以及多年使用导致的磨损和划痕产生了误差。科学家发现,经过一百多年岁月的洗礼,国际千克原器与其副本之间已经出现了50微克的误差。

也许,这50微克的误差对我们的日常生活影响不大,但是在尖端科技领域那影响可就大了。因此,改用自然常数作为基准重新定义“千克”,就成为了当前国际计量界的首要任务之一。

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

不稳定的千克实物基准(网络图)

新“掌门”把千克推向量子时代

“大K”的百年辉煌并不能掩饰其作为实物基准的局限性,如何采用一种新型的计量基准来重新定义千克,使得质量测量更加科学和准确呢?随着量子计量基准的出现,这个问题迎刃而解。

所谓量子计量基准是指用量子现象复现量值的计量基准。

量子计量基准的研究一向被认为是国际计量科学的最前沿课题,并有望推动计量科学发生革命性的变化。

量子计量基准的优势是十分明显的,首先量子计量基准的准确度比较高,一般到要比实物计量基准高出几个数量级;其次量子计量基准为一种物理实验装置,因此可以按照相同的原理进行异地复现,这就避免了量值多次传递而造成的许多问题。

改用普朗克常数重新定义“千克”,就是在这样的背景下被提上工作议程的。普朗克常数是一个用以描述量子大小的物理常数,在量子力学中占有极其重要的地位。然而,普朗克常数需要通过实验来确定,因此其精度高低取决于实验仪器的测量精度。

基布尔与瓦特天平的故事

我们知道,普朗克常数是量子物理的一个基本常数。那它是如何与宏观质量发生联系的呢?这就要提到瓦特天平了。

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

瓦特天平

瓦特天平是由布莱恩•彼得•基布尔博士发明的,因此又被称为基布尔天平。

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

布莱恩•彼得•基布尔(Bryan P. Kibble ,1938年- 2016年)(网络图)

基布尔是英国著名的实验物理学家,长期致力于物理常数的精确测量以及SI基本单位的实现等方面的研究。

基布尔在英国国家物理实验室工作30年,为安培、伏特、欧姆以及千克等单位的定义做出了重要贡献。

瓦特天平简单来说就是一种复杂的称,它把借助于米、千克、秒测得的机械功率与电功率联系起来,而电功率变量里的电压和电阻都与普朗克常数有关。

瓦特天平拥有静态模式和运动模式两种测量模式,利用这两种测量模式可以构建一种新的平衡,通过联立方程可求解出普朗克常数的精确数值来。

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

BIPM瓦特天平测量原理图(静态模式)

“大K”要退休了,那新“掌门”又是何方神圣?

BIPM瓦特天平测量原理图(运动模式)

普朗克常数测量中的中国故事

说起普朗克常数的测量,这里还有一个有趣的故事呢!故事发生在2013年的一天,美国国家标准和技术研究院的测量团队在一次吃午餐时,每个人都把自己对普朗克常数测量值的预测结果写在餐巾纸上,然后藏在瓦特天平之下。

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李世松对普朗克常数测量值的预测结果(网络图)

四年来,他们都一丝不苟地进行实验。直到2017年测量结果出来之后,他们才把藏在瓦特天平之下的餐巾纸拿出来。他们经过对比后才发现,当时在此做访问学者的清华大学博士后李世松的预测结果与本次测量值最为接近。

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李世松(左排从前往后第二位)与所在课题组成员在一起(图片见水印)

基于普朗克常数定义的“千克”基准将迎来一场量子化革命,并深刻影响未来基本单位的科学性、合理性以及精确度。然而,有朋友可能会关心“大K”的命运,功成身退的“大k”又会何去何从呢?

总之,无论如何,“大K”都是人们心中永远抹不去的记忆。正因为如此,“大K”作为人类的一份无价之宝,也许将永远被珍藏在国际度量衡局总部的地下室。

参考文献:

【1】科普中国  孔睿.《“千克”被重新定义:让质量测量变得更科学、更精确》,光明网,2017-08-03 。

【2】环球科学 蒂姆•福尔杰(Tim Folger)原创  庞玮 译.《1千克有多重?最难的实验重新定义最基本的单位》,计量科普之窗,2017-06-30。

【3】中国政协报 王菡娟.《张钟华院士解析质量标准:一千克究竟有多重》,中国工程院网站,2012-01-15日。

【4】A. Picard, H. Fang, M. Stock. Progress on the BIPM Watt Balance,IMEKO 20th TC3, 3rd TC16 and 1st TC22 International Conference Cultivating metrological knowledge 27th to 30th November, 2007. Merida, Mexico.

【5】Joshua Schwarz, David B. Newell,Richard L. Steiner,Edwin R. Hysteresis and Related Error Mechanisms in the NIST Watt Balance Experiment ,Volume 106, Number 4, July–August 2001,Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology.

【6】In memory of Dr Bryan Kibble, 1938 – 2016,http://www.npl.co.uk/news/in-memory-of-dr-bryan-kibble-1938-2016.

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