“1 千克”到底多重?即將被科學界重新定義

一個多世紀以來,這個國際標準質量單位都是由一塊高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體 " 大 K" 定義。但經不住歲月的侵蝕,這件原器已經難以適應現代的精密測量要求,重量早已不再是 "1 千克 " 了。

於是,它是時候該 " 退休 " 了。據美聯社 11 月 13 日消息,11 月 16 日,四年一度的第 26 屆國際計量大會將在巴黎凡爾賽宮舉行,屆時,數百名科學家將以精確穩定的物理常數重新定義 " 千克 "。

“1 千克”到底多重?即將被科學界重新定義

130 年來," 大 K" 一直被藏在巴黎地下 圖源:美聯社下同

報道稱,自 1889 年第一屆國際計量大會來,一個圓柱體便成為了國際單位 " 千克 " 的基準,名為 " 國際千克原器 "(International Prototype of the Kilogram,簡稱 IPK),外號 " 大 K"(Grand K)。

不過,這個 " 大 K" 卻並不大,只有高爾夫球大小,是一塊直徑和高度同為 39 毫米、由 90% 鉑和 10% 銥製成的合金。

“1 千克”到底多重?即將被科學界重新定義

被取出罩子的 " 大 K"

英國物理學會主辦的新聞網站 " 物理世界 " 補充,它的真身一直被保存在巴黎近郊 " 布勒特伊宮 " 的地下儲藏室裡,以三層鐘形玻璃罩真空密封。打開儲藏室需要三把不同的鑰匙,由三名不同國籍的高層分別保管,三人同時到場才能取出 " 大 K"。

每隔 40 年," 大 K" 都會被取出一次接受清潔和檢查,迄今共 " 面世 " 過 4 次。即便科學家們已經儘可能做到小心翼翼,但歷經滄桑的 " 大 K" 還是發生了細微變化:一會因為空氣汙染而 " 變胖 ",一會又因為氧化而 " 變瘦 ",誤差以微克來算就顯得比較大了,可達 1-2 顆塵埃的重量。

“1 千克”到底多重?即將被科學界重新定義

科學家給 " 大 K" 稱體重

因此,更新定義的建議被提上了日程。美聯社稱,11 月 16 日的新一屆國際計量大會上,科學家們準備讓 " 大 K" 卸任,以量子力學中用於計算光子能量的普朗克常數作為新標準,並使用最精確的瓦特天平(Watt Balance)重新定義 " 千克 "。

其原理,是將移動質量 1 千克物體所需機械力,換算成可用普朗克常數表達的電磁力,再通過質能轉換公式算出質量,精度可達 3.4×10^-8,比起 " 大 K" 穩定了至少 1 百萬倍。

國際計量局局長馬丁 · 米爾頓(Martin Milton)在接受採訪時表示,重新定義千克將是一個值得慶祝的時刻,意味著所有國際標準單位都被新的創意所取代。對於日益發展的計算、製造、製藥、氣候變化研究等精密科學領域來說,把計量單位精確到微克是十分必要的。

不過米爾頓說,他們並不會把退休的 " 大 K" 丟棄,而會繼續將它保存在原址,觀察它幾十年後還會有什麼變化。

“1 千克”到底多重?即將被科學界重新定義

米爾頓手捧 " 大 K"

與此同時,這屆大會也準備採用物理常數重新定義電流單位 " 安培 "、溫度單位 " 開爾文 " 和物質的量的單位 " 摩爾 "。加上 " 千克 ",上述幾個新定義預計會在明年上半年正式生效。

報道還介紹,千克是國際單位制 7 個基本單位中,最後一個仍以實物作為基準的單位。比如,1983 年,長度單位 " 米 " 改用真空中的光在一秒內行進距離,即光秒,1 光秒等於 299792458 米;1967 年,時間單位 " 秒 " 正式採用銫 133 原子的電磁波週期相關數值,1 秒為該原子基態在兩個超精細能階之間躍遷時,所輻射的電磁波的週期的 9192631770 倍的時間。

對於這項變革,坊間也許會有這樣的疑問:

以後去菜市場買土豆,會短斤缺兩嗎?身上的肉肉又會不會變多變少呢?

答案是否定的。

去年,清華大學青年科學家李世松博士曾向《科技日報》解釋,因千克重新定義仍以現有千克量值為標準,兩者可實現無縫連接,兩種定義下的質量單位量值能保證連續性。而且,普朗克常數的測量精度至少要達到 2×10-8,所以千克重新定義並不會對我們的日常生活造成影響。


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