“大K”要退休了，那新“掌门”又是何方神圣？

谁是“大K”？原来“大k”是国际公斤的昵称。从日常生活到尖端技术，千克的重要性不言而喻。129年来，“国际公斤”一直是世界最高的公斤标准，具有极其神圣的地位！然而，千克作为唯一依赖于物理基准进行繁殖的基本单位，在稳定性和准确性方面面临着重大挑战。

2018年注定是计量史上具有重大历史意义的一个时间节点。由于国际度量衡委员会(CIPM)计划在2018年11月召开一次大会，重新定义质量单位“千克”，普朗克常数测量将成为新的定义基准。然而，精确测量普朗克常数需要一种非常复杂的仪器的帮助，这种仪器叫做瓦特天平。

鉴于“平衡”在新的“千克”定义中的特殊地位，称之为“千克”定义的新“头”是恰当的。那么，为什么“千克原型车”会退役呢？谁是新的“领袖”？

新“领导者”将千克推向量子时代(网络图)

新国际单位制基本单位及其相应的定义常数

“大K”的世纪光辉与无奈

国际原型公斤，简称IPK，绰号“大K”。看起来它只是一个高39毫米，底径39毫米的圆胖男人。然而，这个圆胖男人是所有国家质量标准的来源。

国际千克发电机(网络图)

1799年，法国科学家提出了千克的原始定义，即质量为1立方分米的纯水在最大密度(温度约为4摄氏度)下为1千克。显然，最初的千克质量单位是从法国长度单位米衍生出来的。此外，法国已经用纯铂制作了千克原型标准。

后来，科学家发现千克的基准不准确。1878年，国际计量局制作了三个原始千克的复制品，即含有90%铂和10%铱的铂铱合金圆柱体。

1889年，在第一届国际计量大会上，决定将质量最接近原千克的那一个作为原千克，并将其储存在国际计量局。从那以后，IPK一直被关在国际计量局总部的地下室里。此外，“大k”被紧紧地保存在一个三层钟形玻璃罩里，还有六个相同1公斤标准的官方复制品。在最外面的玻璃罩中抽入半真空，以防止空气和杂质进入。

即使它保持得如此之紧，“大k”仍然会因表面吸附和多年使用造成的磨损和划痕而产生误差。科学家发现，经过100多年的洗礼，国际千克与其复制品之间出现了50微克的误差。

也许，这50微克的误差对我们的日常生活影响不大，但在尖端科技领域，影响却很大。因此，以自然常数为基准重新定义“千克”成为国际计量界最重要的任务之一。

不稳定千克物理基准(网络图)

新“领导者”将千克推向量子时代

“大100年的辉煌无法掩盖其作为物理基准的局限性。如何使用新的测量基准来重新定义千克，从而使质量测量更加科学和准确？随着量子计量标准的出现，这个问题得到了解决。

所谓的量子测量标准是指利用量子现象来再现量的测量标准。

量子计量基准的研究一直被视为国际计量科学的前沿课题，并有望推动计量科学的革命性变革。

量子计量标准的优势是显而易见的。首先，量子计量标准的精度相对较高，通常比物理计量标准高几个数量级。第二，量子测量标准是一个物理实验装置，所以它可以根据相同的原理在不同的地方复制，避免了多次数值传输带来的许多问题。

正是在这种背景下，普朗克常数被用来重新定义“千克”。普朗克常数是用来描述量子大小的物理常数，在量子力学中占有极其重要的地位。然而，普朗克常数需要通过实验来确定，因此其精度取决于实验仪器的测量精度。

凯布尔和瓦特天平的故事

我们知道普朗克常数是量子物理的基本常数。它与宏观质量有什么关系？这就把我们带到了瓦特天平。

瓦特天平

瓦特天平是由布赖恩·彼得·凯布尔博士发明的，也被称为凯布尔天平。

布莱恩·基布尔，1932016(网络图)

凯布尔是英国著名的实验物理学家，长期致力于物理常数的精确测量和国际单位制基本单位的实现。

凯布尔在国家物理实验室工作了30年，对安培、伏特、欧姆、千克和其他单位的定义做出了重要贡献。

瓦特平衡只是一个复杂的术语，它把用米、千克和秒测量的机械功率与电功率联系起来，电功率变量中的电压和电阻都与普朗克常数有关。

瓦特天平有两种测量模式:静态模式和运动模式。使用这两种测量模式，可以构建新的天平。普朗克常数的精确值可以通过联立方程求解。

BIPM瓦特天平测量示意图(静态模式)

BIPM瓦特天平测量示意图(运动模式)

普朗克常数测量中的中国故事

说到普朗克常数的测量，这里还有另一个有趣的故事！故事发生在2013年的一天，当国家标准与技术研究所的测量小组吃午饭时，每个人都把普朗克常数的预测结果写在餐巾上，并藏在瓦特天平下。

李·普朗克常数测量预报结果(网络图)

在过去的四年里，他们一直在一丝不苟地做实验。直到2017年测量结果出来，他们才拿出隐藏在瓦特天平下的餐巾。经过比较，发现清华大学博士后李的预测结果与实测值最接近，他当时是清华大学的访问学者。

李(左二)和他的研究小组的成员在一起(见图片水印)

基于普朗克常数定义的“千克”基准将迎来一场量子革命，并将在未来深刻影响基本单位的科学性、合理性和准确性。然而，一些朋友可能会担心"大k "的命运，当"大k "在成功后退休时会去哪里？

简而言之，“大k”是人们永远不会从心中抹去的记忆。正因为如此，“大K”作为人类的无价之宝，可能会永远珍藏在国际计量局总部的地下室里。

参考:

[1]孔锐，《中国科普》。“千克”被重新定义:使质量测量更加科学和准确”，光明网，201003。

[2]跨。庞伟，蒂姆·福尔杰原创，全球科学。最困难的实验重新定义了最基本的单位。《科普测量之窗》，2017年6月30日。

[3]王，中国人民政治协商会议，院士《质量标准分析:一公斤重多少》，中国工程院网站，2012年1月15日。

【4】皮卡德，方鸿燊，斯托克。2007年11月27日至30日在TC3举行的BIPM瓦特天平、IMEKO第20届、第3届TC16和第1届TC22国际会议上的进展。墨西哥梅里达。

【5】约书亚·施瓦兹，大卫·纽威尔，理查德·施泰纳，《NIST瓦特平衡实验中的磁滞现象和相关误差机制》，第106卷，第4期，2001年8月，美国国家标准与技术研究所研究杂志。

【6】为了纪念布莱恩·基布尔博士，1932016年。