保存在国际计量局总部保险柜中的国际千克原器一直以来都是千克单位的标准砝码,不过它前几天(2018.11.16)刚退休:物理学家将重新定义“千克”!
谜语时间!什么东西既不能按克取又不能整个拿走,否则就乱套了?答案是“大K”!
大K是“国际千克原器”的昵称,这个直径与高度均为39毫米的铂铱合金圆柱体自1889年起就是千克单位的绝对参照,也正是它令所有计重秤得以统一。
大K被收纳在三层玻璃罩内,藏于国际计量局的一个特制保险柜里,而国际计量局的办公地,法国塞夫尔镇的布勒特伊宫(Pavillon de Breteuil)可不是什么人都能进的地方。总而言之,它珍贵得很。
大K变轻了?
每隔大约40年,大K会获得一次出笼的机会,目的是与它其中几个复制品一较轻重:这6个官方复制品平时和大K锁在一起,只有此时会拿出来用以确保大K仍然是原来的大K。目前的问题是,大K已经比这6个复制品轻了50微克,而在1889年时,它们的质量是完全一致的。
为什么会这样?
很难说,或许是几个复制品增重了;或许是大K消瘦了;又或许是大家都增重了,只是大K增加的重量较其他少一些。无论如何,问题的严峻之处在于,1千克不再是1千克了。同时由于大K的重量就代表了1千克的官方重量,我们似乎需要重新定义一个更轻的1千克才能走出当前困局。
然而这简直是痴人说梦!你能想象吗?大家都一窝蜂地去买“新千克标准”的体重秤以确认自己的体重发生了什么变化;更别说再过一个世纪,很可能还得推倒重来!
不仅如此,千克标准也决定着“牛顿”的定义。作为衡量力大小的单位,牛顿的定义会随着千克定义的改变而发生变化,而牛顿又影响着作为能量单位的焦耳……所以一个新的千克标准问世将引致一系列基本单位遭到颠覆,这简直是个灾难!
最后,不论是天体物理学还是量子物理学,物理测量一向严密和挑剔,若应用的单位在精确性上与事实有偏差,其后果真是叫人无法想象!正因如此,今年11月13日至16日,精通计量学的物理学家齐聚法国凡尔赛见证一大历史时刻:大K的退役!事实上,千克是仅剩的一个由实物定义的单位。
而这个时代的帷幕已然落下,此后,千克将由量子物理学中的普朗克常数来定义。不要小看这个普朗克常数,在某种层面上,它可是很有“分量”的。普朗克常数在物理学上记做h,约等于6.626×10-34焦耳·秒——数值虽小,却是撑起整个量子物理学的支柱,所以再多支撑一个小小的千克新标准自然不在话下……
实不相瞒,这个普朗克常数涉及的量子物理学知识远不是靠一两句话就能厘清的,不过我们还是试着来解释一下:在这个无限小的微观世界里,所有粒子——质子、电子,乃至于原子——都得通过“能量包”(即能量子,也就是能量的量子)来交换能量。
仅仅传递半份或是三分之二份能量都是不可能的,只能整包交换。而包的基础价值又与普朗克常数h息息相关。说白了能量子的角色就好比货币交易中的欧元或者美元,是能量交换的基本单位。试着设想下这样的对话会更容易理解:“早上好啊,电子先生!请问需要多少能量?”“给我5h能量就好!”
最后,尤其要记住,h与大K不同,是一个恒定的常数,因而不会发生变化。仅需确保测出的h值足够精确,且经过几种不同的测量方法验证,以尽量减小可能的实验误差。虽说这是件一劳永逸的事,但是每种测量方法的结果都要保证小数点后至少8位数字都相同,这可不是开玩笑的。
正在酝酿之中的这场革命分两个阶段。第一阶段,我们将最后再使用一次大K,用以推导出大K和h之间的数值关系。换句话说,以现有的千克单位去衡量h,从而建立一个类似于“大K的值是h的XXX倍”的换算公式,不过实际情况当然要比这个复杂得多。第二阶段,终结大K,只有这个恒定不变且经过精确测量的常数h可以通过公式来定义真正的千克。
那么现实中我们该如何实现这第一阶段呢?基于大K来衡量普朗克常数的方法主要有两种:基布尔秤和完美硅球。基布尔秤有些类似传统的托盘天平。我们在使用传统天平时,会把需要称重的物体放置在其中一侧托盘上,这个托盘随即就会因重力作用而下降;然后我们在另一侧托盘上逐渐增加一些小砝码直至两侧托盘回到同一高度。
这一平衡意味着两侧受到的重力是相同的,换言之两侧托盘摆放的东西拥有相同的质量。所以我们仅需把小砝码的质量相加就可以知道待测物体的质量。基布尔秤的原理与传统天平相差无几,只是用于平衡待测物体质量的不再是小砝码的自重,而是电磁力,后者可以通过两三个公式与h联系起来。
因此,通过在天平的一端放上大K,另一端通过电磁力来平衡大K的重量,我们就可以从某种层面上“称”出普朗克常数的分量。
另一种方式就更让人意想不到了,要做的仅仅是统计原子数量。研究人员制作了一个质量刚刚好1千克的硅球。在这枚硅球内部,原子都规整地排列着形成了一个晶体结构,就好比整齐摆放在货架上的瓶装饮料一般。研究人员知道单个硅原子的体积,且可以通过进一步测算得知整个硅球的精确体积。
实际上,这个硅球是基于一个近乎完美的球状模型打造的,这个球状模型表面上任意一点到球心的距离都几乎相同,误差极小。小到什么程度呢?如果将这个半径47毫米的球放大到与地球一般大小(半径6371千米),其表面最低的山谷和最高的山峰之间的高程差不会超过5米!
掌握了整个硅球和单个硅原子的体积,剩下的无非是将二者相除,即可得到硅球中包含的原子个数。再往后就是个寻宝游戏了,我们需要在不同的公式之间细细寻觅,找到那条将原子数目和普朗克常数联系起来的“丝绸之路”。
整个2017年,国际计量局收集了不同实验室测量出的h精确值,而它的官方数值将在今年11月的凡尔赛会议上得到确定:此后,千克将成为普朗克常数的一个衍生单位。接下来,物理学家也同样会对安培、开尔文和摩尔等单位进行重新定义,基于同样的目的:令它们的值不会随着时间而发生改变。
这些单位的新定义将在2019年5月20日,即来年的世界计量日正式生效。至于大K,它将继续待在自己的保险柜中,进入半退休状态。
虽然丢失了自己作为绝对参考的光环,但大K仍然可以和它的复制品们一起,用于校准一些精确度要求不那么苛刻的仪器。毕竟,即便自重会随着时间而发生稍许改变,它终究还是比基布尔秤来得容易操作。
撰文 Fabrice Nicot
编译 竹叶
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SI制诞生的基本精神就是——一套纯粹科学的单位制。如今的改革最重要的就是实践SI制最初的基本理念。
什么是“科学的单位”?因为单位远远早于科学产生,而在人类的历史上,单位被赋予的大多是强权与政治的内涵,比如某国王强制用自己身体的一部分定义长度单位,在前科学时代,单位的意义更多是某一时、某一地的政治象征。
SI制追求的是“for all times, for all peoples”,那么最重要的就是彻底抛弃前科学时代把单位作为政治符号的做法。用科学的方式定义一整套单位制,最基本的精神可以总结成下面两条:
一,不要自己定义自己。
二,不要用可变量来定义未知量。
第一条,因为前科学时代的所有单位,其实都来自“某物理量的一单位等于某条件下该物理量的取值”(比如一长度单位等于某国王手肘或若干粒麦穗),这些的问题都是“自己定义自己”。但自己定义自己逻辑上就是很不完善的,比如说现在的温度开尔文定义是“水三相点温度的1/273.16”,但如果没有开尔文,我们又如何得出水三相点温度是什么?更为严谨的定义方法是:用其他已经定义好的基本单位,在给定的条件下导出未定义单位。
米的诞生就来自这样的精神。正如前面所举例的,长度单位在过去一直“某国王的手肘”这样自己定义自己的形式,直到近代欧洲产生了科学的观念,科学家基于单摆周期公式提出了——用时间来定义长度。时间对于全人类来说更平等、更普适,通过单摆这样的工具,我们能通过时间单位1秒,定义一个对人人平等的长度,所以这个长度命名为“metre”,表示测量的根基。至于后面说的子午线4千万分之一,那都是已经知道了1米的大致长度后才凑出的“4千万”这样一个数。后来定义质量单位基准,同样也是知道了长度后,通过水这样一种物质简便定义了质量单位千克。
但由于后来人们发现秒摆和水用于推导定义都受很多其他因素影响(重力加速度、水的密度随温度变化),只好不得已修改成了一种影响因素尽量小的定义,比如制定了千克原器和米原器,严格控制影响条件。但是,人们肯定知道这两者其实又回到了“自己定义自己”,这是有悖于科学单位的精神的。
第二条,比如摩尔定义为0.012kg碳12的原子总数,但问题是,这个0.012kg是一个测量值,导致定义中这个值很不精确,或者说实际测量中,测出小数点后精确到八九位的碳12很没有意义,因为碳12质量永远是可变的,所以人们只能给出一个很粗略的指导值。还有安培的定义,里面的真空、无限长、截面积零、1米、2e-7牛顿,这些都是非常粗糙的实验条件,不是说实验中不能测,而是这些条件精确测出来没什么意义。
什么条件才有精确测定的意义?自然是那些普适的宇宙常数:光速、普朗克常数、玻尔兹曼常数、元电荷(真空介电常数)等。比如说,为了更精确定义摩尔,我们把定义修改为0.012xxxxxx kg,但这意味着为了校准摩尔,我们要称量精确到这个小数位数的碳12,这实际很没有价值,因为碳12的质量始终是个可变量。但是,如果我们把光速和普朗克常数分别精确测量到了小数点后非常多位,这就非常有价值,因为光速和普朗克常数本质上就是普适不变的,用不变来定义可变,这才是科学单位的意义所在。
所以现在的新定义最基本的精神就是要实现SI制最初的意义:不自己定义自己,用普适常数定义未知量。新定义下,SI制的逻辑推导过程可以写成:
整数离散量(最基本的无量纲量)——秒(最精确的测量基准,通过“振动X次”这样的离散量定义)——米(基本常数光速+秒)——千克(基本常数普朗克常数+米+秒)——开尔文(基本常数玻尔兹曼常数+千克+米+秒)——安培(基本常数元电荷+秒)。另外坎德拉并没有改,因为定义好千克、米、秒后坎德拉就完全稳定了。而摩尔则直接设定为“离散量+基本常数阿伏伽德罗常数”,因为阿伏伽德罗常数定义的实质是质子(中子)的单位质量,但质子质量已经是千克量纲,所以这里就直接把阿伏伽德罗常数设为一个定数。
这个定义过程在逻辑上就更贴合了SI制的本意。整个体系的起点是整数离散量,其对应的是计数,这正是“测量”之前的根基。而其他几大基本常数,我们给予其真正恒定的数值,这其实就实现了“元测量”的精神——用一套稳定的基准来实施所有测量,而不是用一次测量来指导或修正另一次测量,这是SI制很重要的突破。
但是请一定注意,目前的一切改动都不是“修改”某个单位的数值,包括新闻里的“修改阿伏伽德罗常数”这样的说法都是很不严谨的。现在修改单位定义,是代表科学界对于光速、普朗克常数等自然常数的测量已经有了足够可靠的精度,修改后的定义能消除以往定义的不精确度,但世界上现行的一切科学数量都不会随着单位定义的修改而直接变动。
参考
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