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普朗克常数改写“公斤”定义

时间:2018-11-30 作者:• Martin Rowe,EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑 阅读:
随着2018年11月16日新版国际单位制通过,新的公斤定义将改以物理学的普朗克常数(Planck constant)为标准,重新定义“公斤”(kilogram)的重量。百年来的“国际公斤原型”将走入历史…

世界上所有的测量结果都可以追溯到“国际单位制”(Système International d'Unités;SI Units)。国际单位制以七个基本单位为基础,并由此推导出各种可相互换算的测量单位。多年来,测量的定义——安培(ampere)、烛光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second)——都已经过重新定义,因而都是以自然发生的现象为为基础,例如普朗克常数(Planck’s Constant)等。基于实物定义的最后一个SI单位——公斤,最近终于也重新定义了。

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在此之前,所有质量测量的标准源于存放在法国巴黎近郊国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures;BIPM)的单一物件——国际公斤原型(International Prototype of the Kilogram;IPK),自1884年被铸造成为公斤的标准以来一直存放在此。

以人造制品作为测量单元的世界标准存在两个根本问题。首先,它的值可能随时间发生改变。但是,由于它是世界标准,我们无从得知它是如何变化的,因为它就是标准。如果世界标准发生变化,那么以它为基础的所有测量值也会发生变化。

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基布尔天平使用电磁力测量质量(来源:NIST)

第二个问题是,你不可能在每次需要校准时,都把每个质量测量装置带到法国。因此,美国的国家标准暨技术研究院(NIST)和英国的国家物理实验室(NPL)等国家标准实验室都设有自己的公斤标准,并且会定期将这些标准带到法国与原型进行比较。然后再使用国家标准来比较其它标准,之后再用于与另一标准进行比较,或是将标准用于校准测量仪器。因此,您需要记录一连串与原型进行的比较与校准,以便确认质量测量的可信度。

随着2018年11月16日新版国际单位制的通过,新的公斤定义不必再与原型进行比较了。现在,国家实验室就能够建立自己的公斤标准,因为它虽然很难实现,但可以复制。计量学家需要拥有足够的设备并遵循严格的步骤来制造自己的公斤标准,但这还是比依赖单一人工制品好多了。随着新定义的出现,您无需再携带庞大的天平进行校准。如今,公斤不会改变了,而是根据其进行定义的方式而异。

从2019年5月开始,公斤的定义将是:当以单位Js表示时,普朗克常数h的固定值为6.626 070 15×10-34,即等于kgm²s-1,与公尺和秒的关联以c和Δv进行定义。

实现公斤的过程取决于一个称为“基布尔天平”(Kibble balance)的工具。它使用了线圈和磁铁,线圈中的电流施加已知的力,并且可以测量到足够精确的电流。因为电流的定义已经根据磁场力确定,所以它可以用于导出向上的力,用于比较未知物体的质量。当力相等时,可以测量未知物体的质量。电压和电流的测量基于普朗克常数。有关基布尔天平如何运作的详细说明,请参阅NIST的Kilogram:The Kibble Balance

由于基布尔天平已经存于于国家计量实验室,如今全球都可以重建自己的公斤原型标准了。

(参考原文:The Kilogram Has a New Definition,由Susan Hong编译)

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