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計(jì)量論壇

標(biāo)題: 《自然》評(píng)出2012年五大挑戰(zhàn)性科學(xué)實(shí)驗(yàn)-對(duì)千克進(jìn)行重新定義 [打印本頁(yè)]

作者: 嘿嘿笑笑 時(shí)間: 2012-2-9 08:06
標(biāo)題: 《自然》評(píng)出2012年五大挑戰(zhàn)性科學(xué)實(shí)驗(yàn)-對(duì)千克進(jìn)行重新定義
自1889年以來(lái)，“千克”這一重量是由放在法國(guó)巴黎國(guó)際度量衡局（BIMP）的一個(gè)鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）圓筒所定義，它的高和直徑都是約39毫米。該合金于1879年制成，經(jīng)仔細(xì)調(diào)校，符合自18世紀(jì)法國(guó)大革命以來(lái)“千克”的重量，并于10年后被采納，成為國(guó)際千克原器。國(guó)際千克原器被放置在巴黎市郊的地下室內(nèi)，人們一直認(rèn)為這一合金的質(zhì)量不會(huì)改變。

在國(guó)際單位制里，除了“千克”，其余6個(gè)單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來(lái)定義的，質(zhì)量是唯一一個(gè)以物體來(lái)定義的國(guó)際單位。用物體來(lái)定義重量單位的一個(gè)缺點(diǎn)就是物體的重量會(huì)隨著時(shí)間的流逝而改變。實(shí)際上，到了1992年，國(guó)際千克原器的質(zhì)量就發(fā)生了變化。經(jīng)與其他“千克”原器相比，國(guó)際千克原器變化了約50微克，相當(dāng)于一個(gè)直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質(zhì)量部主管艾倫·皮卡德說(shuō)：“確切地說(shuō)，我們無(wú)法確定它的質(zhì)量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結(jié)合了污染物。”

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對(duì)千克進(jìn)行重新定義的時(shí)候了。”普拉特是參與重新定義千克的諸多度量衡學(xué)者中的一名。

參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學(xué)常量，就像現(xiàn)在用光在真空中的行進(jìn)速度來(lái)定義米一樣：在真空中行進(jìn)的光在299792458分之一秒內(nèi)旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學(xué)家正研究以更穩(wěn)定的量子力學(xué)常數(shù)——普朗克常數(shù)h取代物體，重新對(duì)“千克”下定義，并盡快達(dá)成200年來(lái)科學(xué)界尋求用穩(wěn)定數(shù)字來(lái)統(tǒng)一度量制度的目標(biāo)。物理常量普朗克常數(shù)反映的是量子力學(xué)中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常數(shù)。將這一等式與更加著名的E=mc2結(jié)合在一起，科學(xué)家們就可以據(jù)此定義質(zhì)量了。

然而，為普朗克常數(shù)確定一個(gè)精確的數(shù)值本身也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，目前科學(xué)界有兩種不同的方法來(lái)確定普朗克常數(shù)的數(shù)值，而他們得到的結(jié)果卻并不一致，由此也讓科學(xué)家們對(duì)千克進(jìn)行重新定義變得更加困難。

其中一種方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）來(lái)定義普朗克常數(shù)。科學(xué)家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個(gè)普通天平，剛開始，研究人員把一個(gè)質(zhì)量為m的物體懸掛在普通天平的一端，另一端掛著一段總長(zhǎng)為L(zhǎng)的線圈，線圈位于一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中。在線圈中通以強(qiáng)度為i的電流，線圈就受到了一個(gè)大小為BLi的力的作用。仔細(xì)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通過(guò)一系列等式就可以與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來(lái)。但實(shí)際情況卻并非如此簡(jiǎn)單。科學(xué)家們?nèi)匀恍枰獪y(cè)量其他數(shù)值，比如，本地重力的大小、最大的誤差源以及避免任何形式的振動(dòng)。

2007年，普拉特采用瓦特天平法測(cè)量出了迄今最精確的一個(gè)普朗克常數(shù)數(shù)值——6.62606891×1034Js，誤差相對(duì)不確定度為36/109。但是，另一個(gè)由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)所（NPL）制造、現(xiàn)放置于加拿大國(guó)家研究委員會(huì)國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)研究所的測(cè)量?jī)x器提供了一個(gè)不同于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的結(jié)果，其數(shù)值更小。

另外一種獲得科學(xué)界認(rèn)可的測(cè)量普朗克常數(shù)的方法是計(jì)數(shù)一塊純物質(zhì)樣本的原子數(shù)的數(shù)量，科學(xué)家們由此可以確定阿伏伽德羅常數(shù)（0.012千克碳12中包含的碳12的原子數(shù)量）的大小。而阿伏伽德羅常數(shù)通過(guò)另一系列等式，也可以與普朗克常數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2008年，德國(guó)聯(lián)邦物理和技術(shù)事務(wù)研究所的科學(xué)家開始利用兩個(gè)幾乎完美的1千克半球進(jìn)行試驗(yàn)，半球由純度高達(dá)99.995%的硅28制成。自此，他們開始使用高精度的激光干涉儀來(lái)確定半球的體積；使用X射線衍射來(lái)確定其晶體結(jié)構(gòu)，以便更加精確地計(jì)算出原子的數(shù)量。到目前為止，他們測(cè)出的阿伏伽德羅常數(shù)為6.02214082×1023，誤差相對(duì)不確定度僅僅為30/109。他們?cè)俳?jīng)過(guò)一系列等式和換算后得到的普朗克常數(shù)的數(shù)值與英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)所的瓦特天平測(cè)量法提供的結(jié)果相符合，但與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院給出的數(shù)值不符。

截止到2010年，普朗克常數(shù)的推薦值一般定義為6.62606957×1034Js，其相對(duì)不確定度為44/109。有些人表示，這一數(shù)值足以用來(lái)對(duì)千克進(jìn)行重新定義。但是，也有人認(rèn)為，需要將誤差相對(duì)不確定度縮小到20/109才能對(duì)千克進(jìn)行重新定義。

普拉特表示：“要想做到這一點(diǎn)可能還需耗費(fèi)一段時(shí)間，我們還要進(jìn)行一些更嚴(yán)苛更困難的測(cè)量工作。”

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，鑒于國(guó)際千克原器質(zhì)量的變化給物理學(xué)家?guī)?lái)了巨大的理論挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)那些需要精確測(cè)量的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)而言，因此，在去年10月21日召開的第24屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，國(guó)際單位委員會(huì)決定淘汰千克原器，用基于普朗克常數(shù)h的數(shù)值來(lái)代替“千克”。

大會(huì)還表示，在2014年之前“將不會(huì)采用這一常數(shù)”，此前還將通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估測(cè)量技術(shù)的精確性，以確保相對(duì)不確定度在20/109以內(nèi)。如果今后用普朗克常數(shù)來(lái)表示質(zhì)量，日常生活不會(huì)受到任何影響，比如要買500毫克阿司匹林、半公斤胡蘿卜或一艘5萬(wàn)噸的游船，千克仍然是千克。然而，這一變化卻會(huì)立即對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的高精檢測(cè)產(chǎn)生重大影響。

作者: liuhuaxing 時(shí)間: 2012-2-26 15:02
1889年到2010年，能沒有變化嗎？是需要修改了。

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