千克定義將“換臉”

2018年11月，第二十六屆世界計(jì)量組織大會(huì)將在巴黎召開，屆時(shí)將對(duì)我們所熟知的基本計(jì)量單位做出重大調(diào)整。千克作為國(guó)際單位制中質(zhì)量的基本單位，將基于普朗克常數(shù)進(jìn)行重新定義，而沿用了129年的國(guó)際千克原器也將退出歷史舞臺(tái)。

法國(guó)的“檔案千克”

千克的出生地為法國(guó)。1799年，法國(guó)科學(xué)家提出了千克的最初定義，即1立方分米純水在最大密度（溫度約為4攝氏度）時(shí)的質(zhì)量為1千克。很顯然，最初的質(zhì)量單位千克是由法國(guó)的長(zhǎng)度單位米推導(dǎo)出來(lái)的。

根據(jù)這個(gè)定義制造的第一個(gè)千克原器（鉑質(zhì)），存放于法國(guó)巴黎檔案局。因此，這個(gè)千克原器也叫“檔案千克”。

國(guó)際千克原器

后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)用純鉑制成的千克原器基準(zhǔn)并不十分準(zhǔn)確。1878年，國(guó)際計(jì)量局制造了3個(gè)千克原器的復(fù)制品，它們?yōu)楹?0%鉑和10%銥的鉑銥合金圓柱體。

國(guó)際千克原器

1889年，在第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，大家決定把其中質(zhì)量最接近原千克原器的一個(gè)復(fù)制品作為國(guó)際千克原器，存放于國(guó)際計(jì)量局。1901年，第三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)對(duì)千克定義做出了明確規(guī)定：千克為質(zhì)量單位，等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量。

看上去，國(guó)際千克原器只不過(guò)是一個(gè)圓胖子，高39毫米，底面直徑也是39毫米。不過(guò)，這個(gè)圓胖子的地位可高了，因?yàn)樗撬袊?guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之源哦！

自此，國(guó)際千克原器就一直存放在國(guó)際計(jì)量局總部（巴黎）的地下室，并且還被嚴(yán)密地保存在三重鐘形玻璃罩里，旁邊還有6個(gè)同為1千克標(biāo)準(zhǔn)的官方復(fù)制品。最外一層玻璃罩內(nèi)被抽成半真空，以防空氣和雜質(zhì)的進(jìn)入。

量子時(shí)代的千克基準(zhǔn)

然而，在國(guó)際單位制7個(gè)基本量中，千克是目前唯一依靠實(shí)物基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)的。實(shí)物基準(zhǔn)往往容易受到環(huán)境的影響，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面存在局限性。

國(guó)際千克原器經(jīng)過(guò)一百多年歲月的洗禮，其與其他副本之間已經(jīng)出現(xiàn)了50微克的誤差。這50微克的誤差對(duì)我們的日常生活影響微乎其微，但是對(duì)尖端科技領(lǐng)域的影響可就不容小覷了。

據(jù)悉，一個(gè)基于普朗克常數(shù)重新定義千克的方案，如果進(jìn)展順利的話將會(huì)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。普朗克常數(shù)是一個(gè)用以描述量子大小的物理常數(shù)，在量子力學(xué)中占有極其重要的地位，并深刻影響著未來(lái)基本單位的科學(xué)性、合理性以及精確度。

普朗克常數(shù)的高度精密測(cè)量需要借助于一種極為復(fù)雜的“天平”。這種“天平”叫做瓦特天平。基于普朗克常數(shù)定義的千克基準(zhǔn)將迎來(lái)一場(chǎng)量子化革命，并成為人類認(rèn)知世界的關(guān)鍵性工具。