科学怪谈：如何定义一千克？

伤我心太深

如何重新定义一千克？

在所有国际单位制的度量单位中，质量是唯一一个仍然用特定的物件来定义的。铂铱合金的圆柱体始终被科学界当做参考对象。

这个圆柱体（如上图所示）被置于一口钟形罩内，存放在国际计量局（该局位于巴黎附近的塞弗尔）。为了避免各种损坏，原件的操作必须在严格的协议管制下进行，详见国际计量局关于该条款的摘要。

尽管有这些预防措施，它还是不可避免的被腐蚀了。从1889年它投入使用以来，它已经减少了几十微克。这虽不是什么大事，但也足以令人头疼，国际计量局电力处处长Michael Stock这么认为。

“这些细微的质量变化至少到现在还没有产生问题，但长期来看还是存在风险的。度量单位越来越精确，这意味着我们必须找出一个对质量单位更好的定义。”

另一个潜在的问题是，这个铂铱合金圆柱体的原件在法国。任何人出于科研的目的，需要了解一千克的精确定义，都必须前往国际计量局才能探个明白。

七个基本单位：所有国际单位制下的度量单位，都是由七个基本单位的组合而来的：千克，米，秒，卡尔文（温度），摩尔（物质的量），安培（电流），堪德拉（发光强度单位）。国际单位制的定义和统一的工作已启动了约两个世纪。

举个“米”的例子吧。米的定义几个世纪以来经常在变。米曾经是本初子午线长度的一部分。后来，长度单位被定义为铂铱合金棒两端的距离。自1983年以来，国际计量局选择根据一自然常数为其定义——光速。

有关普朗克常数和千克的奇谈。关于重新定义千克的问题在一月末的伦敦皇家科学学会中被提出，但这项决议很有可能要等到2015年。

在此期间，科学家们将要极其仔细地操作一个复杂的实验仪器，来测量质量和一个自然常数的联系，该自然常数即普朗克常数。普朗克被誉为量子物理学之父之一。

将这个常数和质量联系在一起需要一个复杂的实验。这其中要用到一个叫做瓦特天平的仪器，该仪器能够将电能转换为机械能。科研小组将使用三到五台天平来负责重新定义千克。

[Lier la constante de Planck à une masse est chose complexe. Pour les courageux, voir les précisions à la fin de cet article.]

（将普朗克常量和质量联系起来是一件着实复杂的事。如果你是勇敢者，敬请参阅本文结尾的细节。）

最后，如同迈克尔斯托克（Michael Stock）所解释的那样，对质量的新的定义的精确度，取决于提出的方案在实验过程中的精确度（电压，电流，速度等）——而普朗克常数，本身就是自然固定的。拥有三到五台实验设备的好处，便是可以从中相互比较结果。

目前科学界正在精心打造他们的仪器。这项工作的结果将于2015年左右在国际单位制的部门集会上提交。

如果新的千克定义被采纳，这将是对国际单位制进行整体改编使其适应21世纪新科学而迈出的第一步。那接下来的几步呢，也许是安培、开尔文和摩尔的重新定义。但正如Michael Stock所说：“这又是另一回事了。”

Photo : BIPM

图片：国际计量局

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瓦特天平由运动的科顿磁秤组成。由于约瑟夫逊效应，我们可以测定电压。最终，我们利用整数量子霍尔效应来测量通过电阻的电流。

可以用方程式表示：

瓦特平衡能够得到如下的关系：U.I=m.g.v（1）

(

（U：电压，I：电流，m：质量，g：重力加速度，v：速度）

根据约瑟夫逊效应可得：U=n.f.h/2e（2）

(

（n：常数，f：频率，h：普朗克常数，e：元电荷）

根据整数量子霍尔效应：I=U/R=n.f.e.i/2（3）

(

（R：电阻，i：常数）

On

将（2）式和（3）式代入（1）式，可以得到：

(n.f/2)².i.h = m.g.v，

(n.f/2)².i.h = m.g.v，

   

这就是质量和普朗克常数之间的一个关系。

若想了解关于这个装置更多的信息，可以参照法国计量网的这个解释。

接天

学秦始皇一下,再来一次"统一***"呀.