重新定义千克试验经多年努力达成一致

“国际公斤”复制品的照片来源:安德鲁·布鲁克斯

几十年来，计量经济学家一直试图停止使用“国际公里”。这是一个由铂铱合金制成的圆柱体，千克是在126年由法国巴黎郊外一个戒备森严的地下室定义的。今天，计量经济学家似乎至少有了用基于数学常数的定义来代替圆柱体所需的数据。

这一突破来得正是时候。科学家最初计划在2018年重新定义包括安培、摩尔和开尔文在内的单位，包括千克。最近，国际计量委员会(CIPM)在巴黎开会讨论下一步要采取的措施。

“这是一个激动人心的时刻。”NIST国家标准与技术研究所的物理学家大卫·纽威尔说，“这是全世界科学父母不懈努力的结果。”

千克是唯一仍以物理物体为基础的国际单位制。虽然从基本常数的角度来定义它的实验在20世纪70年代被描述过，但是直到去年，研究小组才使用两种完全不同的方法获得了足够精确的结果，并且这两种结果的一致性足以推翻千克物理单位的定义。

虽然重新定义不会使千克更精确，但会使它更稳定。随着时间的推移，物理物体将失去或获得原子，甚至被摧毁，而常数可以保持不变。国际计量局(BIPM)质量工作组前负责人理查德·戴维斯说，基于常数的定义，至少在理论上，将使地球上任何地方的人都能进行精确的千克测量，而不仅仅是那些在法国“安全”的人。

2011年，CIPM正式同意从普朗克常数的角度来表示千克。普朗克常数通过方程E=mc2将粒子的能量与其频率和质量联系起来。这意味着普朗克值首先由基于现有千克参考量的实验设定，然后千克由该值定义。CIPM质量咨询委员会建议普朗克常数的三个独立测量值应该一致，其中两个应该使用不同的方法。

一种方法是由一个名为阿伏伽德罗项目的国际团队首创的。它包括计算两个硅28球体中的原子，其中每个球体的重量与千克参考相同。这使得它能够计算阿伏伽德罗常数，研究人员将把它转换成普朗克常数。另一种方法使用一种叫做瓦特天平的装置，它通过称量测试质量产生普朗克常量值，并根据千克参考量和电磁力的比较来校正测试质量。

事实证明很难达成协议。“我想每个计量经济学家都在担心，‘如果这两个值永远不一致，我该怎么办？”戴维斯说道。

然而，负责协调阿伏伽德罗项目的德国国家计量研究所(PTB)主席、CIPM单位咨询委员会主席约阿希姆·乌烈芝表示，经过三年的不懈努力，这种担忧被证明是没有必要的。加拿大国家研究委员会(NRC)下属的测量科学与标准实验室购买并重建了最初建于英国国家物理实验室的瓦特天平后，进步的第一个迹象出现了。

在一个新的实验室里，新的核管理委员会小组考虑了一些已经预测到但尚未解释的系统误差。2012年1月公布的相关结果更接近阿伏伽德罗项目的硅球测试结果。

然而，基本常数的CODATA工作组组长纽威尔说，这仍然使NIST的测试结果保持在一个异常值。每四年，工作组将考虑到迄今为止获得的所有实验结果，为普朗克常数提供最佳值。“我们带来了一个全新的研究团队，仔细检查每一个组件，查看每一个系统。”然而，他们从未找到不一致结果的原因。2014年底，NIST队终于与另外两个队相匹敌。同时，他们将测试结果的不确定性降低到了规定的水平。

今年8月，当CODATA公布其普朗克常数的最新值时，该值的不确定性为12ppb(1ppb是十亿分之一)，仅超过CODATA之前报告值的四分之一，且符合CIPM的要求。

在10月15日至16日于BIPM举行的会议上，CIPM讨论了下一步行动。这包括在2018年国际计量大会上讨论一项决议草案，该草案预计将重新定义安培、摩尔、开尔文和千克。BIPM仍在忙着起草一份协议，该协议将使不能使用瓦特秤或硅球设备的团队能够使用新的千克定义。

然而，仍有一些担忧。在普朗克常数被修正之前，研究小组不得不在2017年7月1日公布进一步的数据。在这个截止日期之前，乌烈芝的团队计划在实验中使用一批来自俄国的新球装置。他希望这将导致更精确的普朗克常量值，但这可能会导致测试结果再次出现偏差。“那我们就有麻烦了。”乌烈芝说，“但我非常确信这不会发生。”纽厄尔同意了。

如果它们被证明是正确的，国际公斤将在2018年成为一个宝藏。“我们会保留它。”戴维斯说，“只是它没有定义任何东西。”(宗华)

中国科学新闻(2015-10-20第三版国际版)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道