千克、摩尔、开尔文、安培的定义和对应计量基准发生变更

第26届国际计量大会通过投票重新定义了“千克”——基布尔秤将取代使用一个世纪的铂-铱合金圆柱体“大K”,成为千克的新标准。在此之前,千克是目前唯一仍然使用实物进行定义的单位。自1889年以来,全世界的千克定义基准都是保存在巴黎秘密地下室内的一个铂-铱合金圆柱体。但千克之源本身的质量正在变小,这促使国际度量衡大会于2011年决定将千克和量子力学常数挂钩,进行重新定义。

此前,千克一直由“国际千克原器”来定义,如果这个“原器”自己发生质量变动,那么全世界都会瘦身或者增肥。千克原器自诞生起一直存放于国际计量局,被称为“大K”。大K是一块由铂铱合金制作的、高度和直径均为39.17毫米的直立圆柱体。它被安放在法国巴黎郊区的一个保险箱里,与世隔绝而且一直受到严密的监控。同时,大K在各国还有很多复制品,每隔四十年,人们都会将大K和复制品进行比对,以确定全世界的质量处于同一个系统。

国际千克原器。图片来源:BIPM

然而,再精密的人工制品,都无法真正做到“质量恒久远,一颗永流传”。

“1791年时,科学家的想法是标准应当基于自然和不变的现象。”理查德·戴维斯(Richard Davis)说道,他是度量衡局质量分部前主任。

说这话的时候,我们正坐在斯托克的办公室里。这间屋子在布勒特伊宫内,这是一座建造于17世纪的优雅建筑,坐落在圣克卢国家公园一座俯览塞纳河的碧绿山丘之上,此处曾一度是法国皇室狩猎保留地,玛丽王后(Marie Antoinette)的玫瑰园至今还被细心照料着。自1875年17个国家签订米制公约(Meter Convention)以来,布勒特伊宫一直都是国际度量衡局的总部所在。

“你早晨从桥上来赛弗尔时,注意到左手边的那个小岛了吗?”戴维斯问道。他接着介绍说,在二战期间,这个小岛上曾有间为德军生产坦克的雷诺工厂,美国人对它进行了持续轰炸,在其中一枚炸弹撼动了布勒特伊宫之后,大K被放进了一个特制的防震箱中。尽管“证人”们在大战之初就已经被疏散到法国银行的地下金库中,但米制公约规定,大K必须保存在度量衡局总部。

战后的1946年,人们把大K从地下室取出进行清洁,并与六个副本比较时发现,它比副本轻了30微克。45年之后再次清洁时,上述质量差增至50微克,大约有一片苍蝇翅膀那么重。 “50微克的变化,历时一个世纪,”斯托克一边给我们看他办公室电脑上的质量变化图,一边感叹道,“你能看出变化有多细微。”按照他的说法,这样的质量差异目前不会带来任何实际问题,“但如果继续下去,迟早会有麻烦。”

在纳米技术领域,50微克可以说重于泰山了。不仅如此,千克质量的不确定性会波及一连串基本常数:公制中力的单位牛顿,定义中就包含千克,而牛顿则进一步定义了焦耳——能量的单位,焦耳又定义了瓦特,如此这般牵连不绝。最终任何一个小问题都将撼动我们对几乎整个物理世界的测量。

清洁大K并用副本校准并不是常规任务,毕竟自1889年至今也仅有四次。首先大K需要被从地下室取出,这需要三人同时在场,自上而下依次打开地下室门上的三把锁,在地下室内是一个配有密码锁的大型保险柜,里面就是安坐在三重钟形玻璃罩下的大K。保险柜里还同时存有六个副本。世界上只有三个人有地下室的钥匙:度量衡局主任、巴黎国家档案馆主任,还有国际度量衡委员会(CIPM)主席,他是度量衡局的监管者。由于三把钥匙都不相同,所以开启地下室需要三人同时在场。

“米制公约1875年签订以来,我是国际度量衡委员会选出的第二位非欧洲人主席,”来自澳大利亚的工程师巴里·英格利斯(Barry Inglis)介绍说,“我曾经问过,如果我回家途中飞机掉到印度洋里去了他们该怎么办,不过我相信应该有锁匠略施小计就能把那把旧锁打开。度量衡局的大多数工作人员都无缘得见大K,而且谣传它的官方照片实际上并非本尊。“我见过一次。”从1987年就开始在这工作的苏珊·皮卡尔(Susanne Picard)说。三把钥匙的保管者每年打开一次地下室检查大K,但不会碰它,只是确保它还完好无损地待在那。

在进入了放置大K的圣所之后,一位技术人员会用麂皮包覆的钳子夹起那个闪亮的圆柱,移送到清洁台上,然后用蘸了酒精和乙醚的软麂皮擦拭,接着用经过两次蒸馏的纯水冲洗,最后用氮气吹干所有残留的水滴。整个过程耗时约一小时。国际度量衡局在测试样品上尝试过各种清洁方法,比如用紫外线照射,但这些方法实际上会让合金变得过于干净。“那些方法看似能比我们的方法清除更多的灰尘,但太干净会增强金属表面的反应活性,从而使质量变得不稳定。”斯托克解释说。这会使得大K作为标准的可靠性降低,所以国际度量衡局仍保留了传统的麂皮擦拭和水浴法。

沐浴之后,大K和“证人”们会被送至一间洁净的房间,放在一台名为质量比较仪的设备上,这台价值50万美元的装置能测量出低至1微克的质量差。质量比较仪加上10个所谓的工作标准千克是国际度量衡局质量分部的“全勤员工”,它们用于绝大多数日常校准,而大K及其副本几十年才出马一次,为各国校准国家千克原器。很明显,国际千克原器的质量不变而两个副本的质量都同时增加的可能性很低,因此一个更为可能的解释是,“我们可以认为是国际千克原器在丢失质量”,国际度量衡局主任米歇尔·斯托克(Michael Stock)说。

当然,由于大K正是千克这一单位的定义,所以技术上来说,我们并不能说它损失了质量。我们只能说,整个世界多了一点质量。

千克的新定义

事实上,在七个基本单位中,千克是最后一个通过人工制品定义的单位了。其他单位都已经改由某些自然常数来定义。

比如长度单位米,其定义为光在真空中于1⁄299792458秒内行进的距离。时间单位秒的定义稍微复杂一些,它表示铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。

七个基本单位及新定义。图片来源:国际计量局

为什么要根据某些常数来定义基本单位呢?

因为基本单位最重要的一个原则是:For all people, for all time——不因使用者也不因使用时间的改变而改变。目前的大K根本无法满足这两条要求。因此,人们一直在思考如何对其进行新的定义。

2018年11月16日,在新一届国际计量大会上,科学家们通过投票,正式让国际千克原器退役,改以普朗克常数(符号是h)作为新标准来重新定义“千克”。

普朗克常数(记为h)是量子力学中用来计算光子能量的一个常数,它由著名科学家马克斯·普朗克提出。普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和实验结果相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率,即E = hv。普朗克常数的数值是6.62607015 x 10-34,单位是J··s(焦耳·秒)。

那么,怎么根据普朗克常数来定义千克呢?这里就要从它的单位入手。可以看到,普朗克常数的单位是焦耳·秒。而焦耳本身则是一个导出单位,它的定义是1牛顿的力使物体在力作用的方向上移动1米时所做的功,我们已经知道,牛顿的定义是使一千克的物体有1m/s²的加速度。因此,一焦耳也可以写成千克⋅米2⋅秒2,于是普朗克常数的单位也就可以写成千克⋅米2⋅秒1。至此,普朗克常数便同千克这一基本单位发生了关联,我们也就可以根据它来精确定义千克。

NIST科学家Stephan Schlamminger的普朗克常数纹身。图片来源:Vox

四把秤和一个球

然而,难的不是定义,难的是测量。人们固然更喜欢用普朗克常数来定义新的千克,可我们该造一台什么样的仪器,来对这个新的千克进行标准测量呢?

为此,人们造了5件新的“神器”——四把秤和一个球。

基布尔秤(Kibble balance),又叫瓦特秤(Watt Balance),为了纪念2016年去世的该装置的发明者——英国物理学家布赖恩·基布尔(Bryan Kibble)。基布尔秤是一种通过电流和电压的强度精确测量测试对象质量的仪器。由于测量的质量与电流和电压的乘积(即功率,单位为瓦特)成正比,所以该仪器又被称为瓦特秤。 基布尔秤实验非常难做,以至于2012年 《自然》 (Nature)将其列为物理学界正在进行的最困难的五个实验之一,位列寻找希格斯玻色子和探测引力波之后。

基布尔秤。图片来源:J. L. Lee / NIST

2016年5月的一天,NIST的斯蒂芬·施拉米格(Stephan Schlamminger)开车把我带到研究所的一栋两层小楼前,这栋楼位于占地235公顷绿意盎然的园区边缘,里面放着NIST两台基布尔秤中较老的那个,自从2014年新的那台建成后,它基本上就处于闲置状态。此前NIST大多数普朗克常数的测量都是在这里进行的,新的那台将接手它的工作。

一进门,所有乡村气息顿时消失不见。房间里的景象犹如蒸汽朋克小说的插图,墙壁全由铜包裹起来,一直延伸到二楼天花板。“再看看这些设备,”施拉米格提醒我,“全是黄铜做的,没有一点铁。”铜和黄铜将室外磁场完全屏蔽,保证室内仪器不受干扰。但室内产生的磁场其实强到可以将你身上的磁卡消磁,在一楼一个房间正中立着一台高大的支撑架,底部是一块超导电磁铁,运行时通过液氦进行冷却。

基布尔秤的关键部分位于二楼,一个半米直径的铝轮竖直挺立,秤盘由金属线悬挂在轮缘两侧。测量时,一个秤盘上承放1千克质量,盘下用三根4米长的绝缘棒悬挂着一个线圈,另一边的秤盘上则放着配重和一个电动机。要想获得将质量和普朗克常数联系起来的方程中的所有数值,基布尔秤需要在两种不同的工作模式间切换。在“称量模式”中,测试质量所受的引力被下面悬挂线圈中电流产生的磁场完全抵消。而在“速度模式”中,测试质量被移除,悬挂线圈被另一个秤盘中的电动机向上牵引,在底部超导电磁铁产生的磁场中匀速上升,进而在线圈中产生一个感应电压。

称量模式中测出的励磁电流和速度模式中测出的感应电压最终被代入将电流、电压以及电阻和普朗克常数联系起来的量子力学方程中。简而言之,从1千克质量出发,基布尔秤最终可以确定一个普朗克常数,反之亦然。如果有了准确的普朗克常数,就可以用基布尔秤来称量质量,无需再借助任何物理实体

为了获得精确的测量结果,施拉米格及其同事需要考虑当地气压和引力的波动。地轴进动和潮汐的影响也必须考虑进来。“如果你忽略潮汐的影响,”施拉米格解释道,“就会产生大约百万分之0.1的误差。”抛开其复杂程度,在施拉米格眼中,这台仪器像是来自过去某个时代,他带领小组测量普朗克常数时,一个个阀门按照严谨的顺序依次打开和关闭,充满液氦的容器内的压力也需要时刻监控,“你会感觉像是在驱动一台蒸汽机,”施拉米格继续说道,“但其实你是在进行量子力学测量!”

基布尔秤所依靠的电磁力要被准确测量,需要依赖更准确的电流和电压。

1962年,英国物理学家布赖恩·约瑟夫森(Brian Josephson)提出了约瑟夫森效应;1980年,德国物理学家克劳斯·冯·克利青(Klaus von Klitzing)发现了量子霍尔效应;前者是一种与电压有关的量子效应,后者则表明电阻也是量子性的,这些发现为电压、电阻,间接的也为电流找到了新的标准。而我们知道,普朗克常数是量子力学的基本常数。因此,通过电磁力来平衡质量,再通过含有普朗克常数的公式来计算产生这一电磁力的电压和电流,从而实现对千克的新定义。

图片来源:Vox

为了得到千克,需要更准确的求得普朗克常量。为此,人们制造了人类有史以来制造的纯度最高、形状最圆的硅球,由硅-28制成。科学家们对这个球进行了极其精密的检测,其中含量最大的杂质是铜,但其含量仅为每克样品中含有7纳克,大概相当于每30亿个硅原子中才有一个铜原子。


这个球纯度如此之高,可以用来更精确地测量阿伏伽德罗常数,而根据某些已知的方程,我们可以根据阿伏伽德罗常数来计算出普朗克常数。阿伏伽德罗常数定义是1摩尔(mol)的原子有多少个?在教科书上,答案通常是6.02x1023。但这个精度远远不够,2017年12月的一篇文献表明,人们借助这个硅球,已经将这一常数测到了6.022140588 (65) x 1023,括号中的数字表示最后一位的不确定度,而相对不确定度则不超过1.73 x 10-8

有了这四把秤和一个球,千克的新定义将达到一个史无前例的精确度,同时,由于普朗克常量被精确测定,因此摩尔的定义也可以被改写。国际计量大会曾经表示,要至少通过三个实验把普朗克常数的不确定度降低到5 x 10-8以下,其中一个还必须达到2 x 10-8以下,方能满足对千克的新定义的要求。而目前,人类所制造的这四把基布尔秤和一个硅球,都已满足要求。

计量学家斯蒂芬·施拉米格和乔恩·普拉特

安培目前的状况特别奇怪,它的标准定义需要两根无限长的一维无质量导线,并且求出导线之间因电流而(通过磁场)产生的作用力,如此理想的情况完全无法在实验室中实现,尽管整个定义并不依赖古老的实物标准。现在,安培已改用电荷来定义,1安培就是1秒内有6.2415093×10^18个元电荷通过横截面的电流。这完全得益于纳米器件的发展,让我们有能力对导线中流动的电荷进行逐一计数。 “如果放眼下一次更新,其中也许会包括基于量子力学定义的坎德拉,还有用光学而非微波定义的秒,”加拿大首席计量学家阿兰·斯蒂尔(Alan Steele)猜测,“但这起码都是15年之后的事了,说不定还要更久。”

计量学家在努力制定一套不受狭隘的地球观念束缚、真正普适的测量系统,在这个过程中,千克的重新定义处于中心地位。原则上,新的单位将对宇宙中任何地方的智慧生物都适用,无论在地球上还是在仙女星系之中。对计量学家而言,这是最好的时代。斯蒂尔说:“这是一生一次的机会。上一次我们这样触及根本还是在重新定义米的时候。要我说,眼下是首席计量学家的黄金时代。这当然不像保卫世界和平之类的那么伟大,但已经非常美妙了。”

现在大K将何去何从?它将继续保存在现在的地下室内。考虑到基布尔秤的复杂程度,我们可能还需继续仰仗千克原器。世界各国的计量实验室不会经常进行艰难的基布尔秤测量,在未来数十年内它们还是会采用新的一批千克原器进行日常校准工作。新的千克原器已经在国际度量衡局进行制作,但它们将会用基布尔秤来进行校准,而不是用大K。

(本文根据Elizabeth Gibney,Bearkiii等的文章改写)

[修改于 10 个月前 - 2018-11-19 14:17:29]

来自 仪表与测量
3
2018-11-27 15:17:54
1楼

就是说我们都被增重了,虽然是毫克级的。。。。。

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2019-5-21 10:52:41
2019-5-21 10:52:41
2楼

5.20是国际计量日。昨天,千克的新定义正式生效。

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