科学家们发明了一种革命性的方法来重新定义千克

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科学家们正在重新构想我们设定标准测量单位的方法,依赖于数学上可测量的常数,而不是物理参考对象。WIN-Initiative / Neleman /盖蒂图片社

如果你熟悉基本的公制转换,你知道2.2磅相当于1公斤。但是一公18新利最新登入斤到底有多重呢?18新利最新登入如何定义一个抽象的概念,如测量单位?自1875年以来,一公斤的确切重量由英国国家统计局确定国际千克原型这是一个由90%铂和10%铱的合金制成的圆柱体,被锁在巴黎郊外一个受环保监管的保险库里。每隔40年,它就会被移除,并与世界各地的六个副本进行比较,这些副本又被用作世界各地复制重量的模型。

这种制度在19世纪晚期是可行的。但今天,随着制药生产、化学、天体物理学和其他领域都需要超精确的测量,它不再那么有效了。再加上另一个问题——在近一个半世纪之后,它体重增加这很可能是由于污染物逐渐积聚在其表面。

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几十年来,德国物理学家马克斯·普朗克(1858-1947)的工作帮助科学家定义和理解宇宙。
Hulton Deutsch Collection/Corbis/Getty Images

这就是为什么国际度量衡委员会负责控制一公斤体重含义的管理机构,正有意将物理标准转换为基于自然界某些基本标准的标准,而科学家们可以在全球的实验室中复制这种标准。

美国政府国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员表示,他们已经取得了一项突破,可以解决这个问题。使用一种叫做NIST-4的新机器,他们确定了一个更精确的值普朗克常数这是一个非常微小的数字(也是一个基本物理量),用于量子物理学中计算单个光子传输的能量。

普朗克常数也可以用来定义千克,因为它也是一个基本常数——在我们的宇宙中是不变的——科学家可以通过实验来确定它是什么。“我们可以固定一个单位,然后问大自然,‘使用这些单位,基本常数的数值是多少?’”NIST的物理学家说Stephan Schlamminger在一封电子邮件中。“或者,我们可以确定数值,用实验来确定单位的大小。”

为了更精确地计算普朗克常数,NIST的研究人员使用了一种叫做基布尔天平的设备,以发明这项技术的英国物理学家命名。Schlamminger说,该设备“比较电力和机械动力”。“功率是以瓦为单位的。机械功率是力乘以速度。在天平中,力是质量标准的重量。功率可以用两个频率和普朗克常数的乘积来测量。这与用于测量电压和电阻的两种量子力学效应有关。因此,质量单位可以与普朗克常数联系起来。”

下面是NIST物理学家Darine Haddad用一杯咖啡和方糖来解释普朗克常数的重要性的视频:

2016年,NIST的科学家们发布测量结果普朗克常数的不确定度只有十亿分之34,这是相当精确的。但他们一直在试验,现在他们已经有了几年的数据可以处理,他们进一步打磨了这个微小的数字。新的NIST测量将普朗克常数设定为6.626069934 x 10−34 kg∙m2/s,不确定度仅为十亿分之13。

NIST的研究人员是来自从加拿大到韩国的众多科学团队中的一员,他们都在竞相为普朗克常数提供最精确的值。Schlamminger说,一些人还在用基布尔天平进行实验,而另一些人则在使用x射线晶体密度法,通过这种方法,他们推断出一个极圆的硅球中硅原子的数量。

这位NIST的物理学家指出,他们有可能将普朗克常数测量的不确定性程度降低到比公布的值更低的十亿分之十一。但他说,他们希望公布的数字足以重新定义千克。

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