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    文摘报 2018年11月27日 星期二

    新千克问世,基本单位迈向量子化

    《 文摘报 》( 2018年11月27日   07 版)

        1千克有多重?过去一个多世纪以来,一个藏在法国巴黎秘密地下室里的小圆柱体定义着精确的数值。它和高尔夫球差不多大小,由铂铱合金制成,价值30万元,被玻璃罩子层层密封保存。人们把它命名为国际千克原器(IPK),也有人爱称它为“大K”。

        它波澜不惊地工作了一个多世纪,和存在于世界各地的40个“兄弟”一起,维持着千克这个单位的稳定。直到上周,因为“瘦了”50微克,大K不得不宣告退休。

        对于绝大多数人来说,这个变化带来的直接影响得在小数点后很多个零后面才能体现出来。菜贩不会因此更换秤砣,体重秤上显示的数字也不会有丝毫变化。

        但全世界的科学家都在关注这一变革。目前国际通行的国际单位制(简称SI)由7个基本单位组成,包括我们生活中常用的米、秒、安培(电流单位)等。由这7个基本单位出发,我们得以度量生产、生活、研究所需的所有量。米和秒定义了速度的单位,力的单位牛顿的定义中包含千克,用电量的单位千瓦时的定义又包含牛顿……

        如果这种不精确逐步累积,会动摇我们对整个物理世界的测量。和千克的定义一样,米的定义也曾依赖现实中的物件。1米曾被定义为一根和大K保存在一起的铂-铱合金棒上两条刻度线的间距。在更早的过去,1米被定义为地球周长的四千万分之一。一直到1983年,米的定义才被改为光在1/299792458秒内传播的距离。上世纪60年代,秒的定义也曾由一天的若干分之一,修改为以铯原子电子跃迁频率为基准。

        千克是最后一个还依赖于实体的基本单位。几十年来,科学家面临的是不得不改的局面:大K的质量似乎一直在减轻。

        为了保证大K的准确性,官方一开始就制造了6个“副本”,按照同样的规格保存,每隔30年左右对比一次。1946年,人们把大K取出清洁比较时发现,副本们比大K重30微克;到了1992年,这个差值上升到了50微克,大约一片苍蝇翅膀那么重。

        几个副本的质量同时增加的可能性极低,更可能的解释是,大K的质量在减小。

        对1千克的物体来说,50微克意味着0.005%,是几乎无法察觉的差异。可如果我们把它放到对质量很敏感的领域,例如制药业,或是精密仪器制造业,这样的误差直接决定成败。没有人知道为什么大K在丢失质量。国际计量大会于2011年决定建立新质量标准。

        选择物理常数是非常自然的想法。这项复杂的工作最终由美国、英国、德国、意大利、日本等国的实验室共同完成。一直到2014年,他们才完成初步工作。

        2018年11月16日,第26届国际计量大会通过投票,自2019年5月20日起,千克将基于物理常数普朗克常数计算得到。

        在今年的国际计量大会上,摩尔、安培和开尔文的定义也被更新了。1摩尔的数量成为了一个固定的数值,不再与质量挂钩。1安培和1开尔文的大小也不再依赖于测量,完全由基本常数确定。自此,人类首次在基本单位体系中彻底摆脱实物基准,迈向“量子化”时代。

        (《中国青年报》11.21 王嘉兴)

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