千克不再是重量

重新定义1799年发明的计量单位需要改变整个公制系统。
2019年5月24日
通过马修·霍尔

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磅秤读数5公斤

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截至2019年5月20日,宇宙的一个基本常数重新定义了千克。但不要担心,一般人不会看到他们日常生活中的变化;你的食物份量和体重仍将一如既往。尽管如此,这对人类进步来说是一个巨大的飞跃,因为在过去的129年里,千克一直是由存放在世界上最安全的地方的一大块铂和铱来定义的。被称为“Le Grand K”的这本书在巴黎举行,在世界各地还有多本副本,长期以来一直避免在单位上修改划痕。

过去几年等待重新定义的时间尤为关键,因为精确度的条件必须达到一定的质量水平才能被认为值得追求。非常简洁和过于简化的行动计划;用一个常数(而不是实际的重量)来定义质量。因此,科学家们投票决定使用普朗克常数作为更精确的测量系统。看起来很简单,但普朗克常数是什么呢?

正如国家物理实验室(NPL)的理查德·布朗(Richard Brown)所解释的那样:“普朗克常数是一个物理常数,它将光子、光或电磁辐射所携带的能量与其频率联系起来。”

尽管它的名字,这个常数的值在上个世纪一直在轻微波动。变化常数的观念不应该在人们的头脑中根深蒂固,在科学界也是如此。因此,阿伏伽德罗计划的建立是为了摆脱世界上麻烦的矛盾修饰法。

该项目旨在重新定义阿伏伽德罗常数,即12g碳-12中的原子数,其分辨率小于2*10^-8。原因是阿伏伽德罗常数与普朗克常数有直接关系。

该项目花费数百万美元制造了世界上最圆的硅-28同位素球,重达一公斤。2015年,该项目能够定义新的阿伏伽德罗常数。球体接近原子的精度使科学家们能够将其重新定义到更高的精度水平,这反过来又使普朗克常数更加精确。

我们现在知道普朗克常数是什么,而且它足够精确,可以使用,但是光子的能量和质量之间怎么可能有关系呢?

“这种关系相当复杂,我认为为了解释这一点,我们必须考虑用来重新定义千克的实验。这个实验叫做基布尔平衡,以布莱恩·基布尔的名字命名,他在20世纪70年代在国家物理实验室发明了这个实验。基布尔天平是一个平衡机械动力的实验,来自质量,和电力,来自电磁。我们用量子电效应来计算电磁铁的电功率,这些方程是由基本常数控制的。其中之一是普朗克常数。理查德说。

最后的测量得到的h值的不确定度为十亿分之十。重新排列普朗克常数的方程,就可以定义一公斤,这个定义可以被任何智慧的星际物种所理解。

“关于SI的修订,我听过的最好的类比之一是,这有点像加强你房子的基础;你不会立即注意到任何不同,但这意味着你的房子将持续更长时间,你将来可以对它做更多的事情。”

这个基础正在支持人类的聪明才智,我们现在已经建立了一个非常强大的基础,为我们未来的努力提供动力。

“…随着技术的进步,我们看到了5G通信、量子计算、传感器网络等技术,我们可以通过修订后的SI进行更好的测量,这将使这些技术的实施速度更快。”

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