“千克”迎來的新定義,對我們來說究竟意味著什麼?

  上週五,也就是 2018 年 11 月 16 日,來自 60 多個國家的代表在於巴黎舉行的第 26 屆國際度量標準大會(General Conference on Weights and Measures)上齊聚一堂,投票通過了有關修改現有千克定義的提案。

  新定義將自 2019 年 5 月 20 日起正式生效,屆時,千克依靠物理實體,至今沿用了約 130 年的定義方式將被一種以自然常數之一,普朗克常數為基礎的定義方式所取代。

  雖然新千克並不會讓超市裡的一公斤白菜變多或變少,但解除國際標準單位對物理實體的依賴,將它們以自然常數進行定義,或許宣告著人類科學真的已經進入了一個新紀元。

  千克的起源

  千克(Kilogram)一詞的起源要從大革命時期的法國說起。當時,法國的新政府成立了一個度量制改革委員會,旨在廢除腐朽舊政府的度量標準,為人們日常生活以及科學研究中常用的物理量建立一個新的國際標準。該委員會由當時法國眾多名望頗高的科學家組成,其中就有著名化學家,有“現代化學之父”之稱的安託萬拉瓦錫(Antoine Lavoisier)。

  拉瓦錫於 1791 年提出,將質量(mass)的標準單位定義為一立方分米水在 0 攝氏度時的重量,也就是一升冰水混合物的重量,並將這一單位重量命名為了“Grave”(源自拉丁文中的“重量”一詞,“Gravitas”)。

  該定義雖乍看沒什麼問題,但由於拉瓦錫的貴族背景,以及其在舊政府時期曾任政府稅務專員的仕途經歷,拉瓦錫很快(1793 年 8 月)就被新政府解除了其在委員會的職務,並於 1793 年 11 月被捕入獄,最終在 1794 年 5 月被送上了斷頭臺。而由於“Grave”在法語中的發音與“Graf”類似,也就是法語中的“伯爵(貴族頭銜之一)”一詞,提倡平等自由的法國革命政府後來自然捨棄了這一由舊貴族所定的“舊”重量標準,改用重量為原 Grave 定義重量的千分之一為重量基本單位,並將其重新命名為了“Gramme”(後來英文裡的 gram,也就是中文裡的“克”)。

  然而,新政府很快就發現,採用原 Grave 定義重量的千分之一作為基本重量單位實在是太小了,給很多事情都帶來了不便,但新政府又不能明目張膽地重新採用由舊貴族拉瓦錫所制定的標準,於是便發明了“Kilogramme”,也就是法語中的“千克”一詞,意指“一千個 Gramme”,而英文裡的千克一詞“Kilogram”也正是由此而來。

  後來,到了 1799 年,由於水在 4 攝氏度時密度約為最大,千克的定義又被改為了一升水在 4 攝氏度時的重量,但由於水畢竟是一種液體,杯子裡晃晃就出去了,並不是一種理想的重量衡量方式。所以,人們在 1799 年製造了一個重量與 4 攝氏度下一升水重量大抵相當的金屬塊,並以此再次重新定義了千克,而這個金屬塊,便是後來按“一方米水處於最大密度的溫度氣壓環境時的重量”為標準,於 1889 年用鉑-銥金屬(platinum-iridium)所鑄的“國際千克原件(IPK,the International Prototype Kilogram)”前身。

  圖丨存放於巴黎的國際千克原件(來源:voanews.com)

  而自國際千克原件於 1889 年誕生後,以此為定義的千克便一直被沿用至今。國際千克原件會每 40 年左右與存放在世界各地的“副本”進行比較,以保證該定義方式的精準性,但在 1948 年的比較過程中,科學家們發現,國際千克原件的重量與各副本所衡量的一千克重量存在明顯差異,甚至各個副本所衡量的一千克重量也有所不同,而這種差異則在 1990 年的比較過程中被發現“有了進一步的擴大”。

  而這個重量差異問題說明,雖然國際千克原件和各個副本都以相同的嚴格條件被仔細地保存著,但這些金屬塊的重量還是會因不明原因而流失,導致一些科學家得出了“依靠物理實體定義千克的做法並不可靠”的結論,並由此引發了後來一些科學家對“更新千克定義”的呼籲,進而最終造就了上週國際度量標準大會投票通過的新定義。

  新的定義

  新定義由一個化學測量方法和一個物理測量方法組成,由於在兩種方法中科學家們都需要先借助現有的千克定義將自然常數固定為一個確定的值,再以此值定義千克,兩種方法實際上起到的是一種“驗算”作用,確保以自然常數定義千克的方法確實可靠。

  其中,化學測量方法的官方名稱為“阿伏伽德羅計劃(the Avogadro project)”,涉及用世界上最圓的球體之一重新定義阿伏伽德羅常數(the Avogadro constant)。該球體只由硅-28(硅的一種同位素)構成,科學家們則能用該球的體積和硅的原子間距信息能夠精確算出構成該球體的硅原子數量,並以此重新定義阿伏伽德羅常數,再以此根據阿伏伽德羅常數的常規定義,“12 克的碳-12 中所包含的碳原子數量”反過來重新定義千克。

  圖丨只由硅-28 構成的世界上最圓的物體之一(來源:nist.gov)

  物理測量方法則涉及用一種名為“基布爾稱(Kibble Balance)”的實驗儀器精準測量普朗克常數。基布爾稱雖然在設計和外觀上與傳統的稱甚是不同,但其工作原理與傳統的稱類似,都是同過平衡兩個物體的重量來通過已知重量側得未知重量,區別在於基布爾稱的實際原理要更為複雜。

  圖丨基布爾稱示意圖(來源:researchgate.net)

  基布爾稱有稱重和速度兩個工作模塊,科學家會先在稱重模塊(下圖的左半邊)中將重一千克的物體放在儀器的一個稱重託盤中,讓基布爾稱根據該物體的重量在一個可移動線圈中生成能產生與該物體重力相抵電磁力的電流,然後從稱重盤上取走物體,讓速度模塊中(下圖的右半邊),之前被物體擡起的懸掛質量下移,該懸掛質量與稱重模塊中的可移動線圈相連,導致線圈在磁場中上下移動切割磁感線,進而在該線圈中產生出一個感應電壓,而科學家則能根據該電壓與磁場強度、線圈長度和線圈移動速度間的關係,將該電壓與此前生成與物體重力相當電磁力的電流聯繫起來,再利用由“該電流產生的電磁力與物體重力相當”這一信息將重力與感應電壓聯繫起來,並通過化簡得出一個電功率(電壓乘以電流)與機械能(質量乘以重力乘以速度)間的關係,再以此通過一種由被一個絕緣體薄片分開的兩個超導體構成,名為“約瑟夫節點(Josephson junctions)”的電路設計,利用“該電路設計能產生在數值上與普朗克常數有關的特定電壓”將電壓和普朗克常數聯繫起來,進而以一千克的物體為基礎精確測量與之相對應的普朗克常數取值,以此固定普朗克常數的取值,再以此值永久定義一千克的重量。

  圖丨約瑟夫節點示意圖(來源:postreh.com)

  總的來說,雖然新定義或許不會對我們的日常生活構成什麼影響,但以自然常數定義千克的方法將會幫助我們避免基本度量單位的取值不定情況發生,為科學家門帶來一個更為自治的單位系統,助力研究順利進行。

  在國際標準單位中,很多量的定義都涉及質量,而質量的定義則直接決定了這些量的可靠性,比如衡量物質的量的單位摩爾(mole)的定義與阿伏伽德羅常數有關,而阿伏伽德羅常數的定義又與質量有關。

  而在實際研究中,一些量的初始誤差在經過許多運算後可能會被放大很多倍,導致結果數據無效,而這對許多理論來說是致命的,比如在一些物理模型中,能量上的微小偏差能夠直接導致一個假想宇宙的毀滅,或是物理法則的變化。

  或許,通過用自然常數以一種“永恆”的方式重新定義國際標準單位,就像“人類最初意識到描述自然及宇宙需要定義一些基本量”一樣,象徵著人類科學的一個新起點。

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