重新定义千克试验经多年努力达成一致

2015.10.20

“国际千克原器”的复制品

　　几十年来，计量学家一直试图停止使用“国际千克原器”。这是一个由铂铱合金制成的圆柱体，126年在从法国巴黎郊外一个戒备森严的地下室里对千克进行着定义。如今，看上去计量学家至少掌握了用基于数学常数的定义替代该圆柱体所需的数据。

　　这一突破的到来恰逢其时。科学家原定于2018年对包括安培、摩尔和开尔文在内的多个单位进行重新定义，千克也包括在内。近日，国际计量委员会（CIPM）在巴黎会面，探讨了下一步要采取的举措。

　　“这是一个激动人心的时刻。”美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家David Newell说，“它是全球科学家长时间不懈努力的结果。”

　　千克是唯一一个仍基于实物的国际单位制。尽管从基本常数的角度对其进行定义的试验在上世纪70年代便有描述，但直到去年，才有研究团队利用两种完全不同的方法均获得了足够精确的结果，而两种结果的一致程度足以推翻千克的实物单位定义。

　　虽然重新定义不会使千克变得更加精确，但将使其更加稳定。实物会随着时间的流逝失去或获得原子，甚至被破坏，而常数能保持不变。国际计量局（BIPM）质量工作组前负责人Richard Davis表示，基于常数的定义至少从理论上，将使地球上任何地方的人都能进行精确的千克测量，而不是只有那些在法国“保险柜”的人才能做到。

　　2011年，CIPM正式同意从普朗克常数的角度表达千克。普朗克常数将粒子的能量同其频率并且通过E=mc2等式在同其质量关联起来。这意味首先要利用基于现有千克参考量的试验设定普朗克数值，然后利用这一数值定义千克。CIPM质量咨询委员会建议，普朗克常数3个独立的测量值应当一致，并且其中两个应利用不同方法。

　　一种方法由名为阿伏伽德罗项目的国际团队首创。它涉及在两个硅-28球体中对原子进行计数，其中每个球体的重量和千克参照量相同。这使其得以计算出一个阿伏伽德罗常数，而研究人员会将其转化成普朗克常数值。另一种方法利用的是一台被称为瓦特天平的设备，通过称重测试质量产生普朗克常数值，而测试质量根据千克参考量和电磁力的对照进行了校正。

　　事实证明，达成一致非常困难。“我认为，每位计量学家都在担心，‘如果两个数值永远不一致，该怎么办？’”Davis说。

　　然而，在协调阿伏伽德罗项目的德国国家计量研究院（PTB）院长、CIPM单位咨询委员会主席Joachim Ullrich看来，经过3年的不懈努力，这种担心被证明是没有必要的。在隶属于加拿大国家研究委员会（NRC）的测量科学和标准实验室购买并重建了原建于英国国家物理实验室的瓦特天平后，首个进展的迹象出现了。

　　在一个新的实验室中，全新的NRC团队将一些被预测过但尚未予以解释的系统误差考虑进来。2012年1月发表的相关成果同阿伏伽德罗项目的硅球体试验结果更加接近。

　　不过，国际科技数据委员会（CODATA）基本常数工作组组长Newell表示，这仍然使来自NIST的试验结果保持着异常值。每4年，该工作组会通过将迄今所获得的全部试验结果考虑在内，为普朗克常数等提供一个最好的数值。“我们带来了一个全新的研究团队，仔细检查每个部件，并且查看了每个系统。”然而，他们从未发现导致结果不一致的原因。2014年年底，NIST团队终于同其他两个团队实现了匹配。与此同时，他们将试验结果的不确定性缩小到规定水平以内。

　　今年8月，当CODATA发表其关于普朗克常数的最新值时，数值的不确定度为12ppb（1ppb为十亿分之一），仅超过CODATA此前所报告数值的四分之一，并且在CIPM的要求范围之内。

　　在10月15日～16日于BIPM举行的会议上，CIPM探讨了下一步举措。这包括对在2018年国际计量大会上有望重新定义安培、摩尔、开尔文和千克的决议草案的讨论。BIPM仍在忙于起草一份将使无法利用瓦特天平或硅球体装置的团队利用新的千克定义的协议。

　　不过，目前仍有一些烦心事。各团队不得不在2017年7月1日，即普朗克常数值被修正前发表进一步的数据。在这个截止日期前，Ullrich团队计划在试验中利用一批来自俄罗斯的新球体装置。他希望，这将产生更加精确的普朗克常数值，但可能会使试验结果再次出现分歧。“然后，我们将陷入麻烦当中。”Ullrich说，“但我非常有信心，这不会发生。”Newell对此表示赞同。

　　如果他们被证明是正确的，那么2018年，国际千克原器将成为珍藏品。“我们会保留着它。”Davis说，“只是它不会再定义任何事情。”

计量千克普朗克常数

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