物理

“新公斤会更实用”

从2018年开始,公斤将根据普朗克常数而不是巴黎附近一个保险箱中的铂金圆筒定义。理查德·戴维斯(Richard Davis)解释了为什么此新定义将更可靠,并且尤其是使用起来更实用。

理查德·戴维斯 对于科学N°473
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Grand K,公斤标准

标准千克原型Grand K的缺点是什么?

理查德·戴维斯: 自1889年以来,Grand K一直用作参考。它是一个铂铱圆柱体,保持在三重钟罩下面,以防止灰尘进入。为了确保其质量不变,将其与六个“见证人”(与Grand K相同)的气瓶相比较,并保存在同一保险箱中。

自1889年以来,控件的质量比大K控件增加了50微克。由于这种差异是相对的,因此很难得出大K是否失去质量(如果控件已获得质量)的结论,或者,更糟糕的是,如果所有的气瓶都增加了重量,我们在这里只测量这种发展的细节。

提出了各种假设来解释这种偏离。例如,如果捕获在Grand K铂金中的气体逐渐逸出,它将失去质量。但是没有检测到这种气体。我们目前没有令人满意的解释。

由于该标准的不可靠性,计量学家决定更改参考标准。

因此,新定义旨在更可靠,更精确,更实用吗?

R.D .: 绝对。新定义基于普朗克常数,该常数出现在量子理论中。这个常数 h 特别是与光子的能量有关: E = hn,其中n是光频率。而且由于爱因斯坦的公式,我们也可以将质量转化为能量 E = mc 2,将公斤与普朗克常数联系起来是很自然的。

负责重新定义单位的委员会热衷于为计量学家做出实际选择。对于公斤来说,我们将不再依赖于单个物体大K,因为它很难从胸部提取出来,因此变得更加困难。任何配备了正确仪器的实验室都可以根据普朗克常数可靠且精确地校准质量。

具体而言,如何实施新的千克定义?

R.D.  :千克的未来定义不强加用于将普朗克常数转换为质量的方法。例如,与第二种情况不同,第二种情况是根据铯133的辐射频率定义的,而第二种情况可能不再是当今最精确的时间测量手段。关于普朗克常数和千克,当今最精确的两种方法之一是瓦特平衡。这看起来像是经典的平衡,但是我们将重力与拉普拉斯力类型的电磁力进行比较,后者的大小与普朗克常数相关。

在重新定义公斤的过程中,今天使用瓦特天平以高精度测量普朗克常数,以便随后永久确定该值。这些实验非常精细,因为许多影响都会干扰测量结果。

运行中有两个非常有效的平衡,即 国家标准技术研究所 ,美国标准技术研究所和加拿大的另一个研究所,这是迄今为止最精确的。其他正在开发中: 毕马威 ,一位在特拉普斯国家计量测试实验室,一位在瑞士,一位在韩国。在中国,研究人员正在开发具有等效原理的焦耳平衡。

还有另一种测量普朗克常数的方法吗?

R.D.  :一种补充方法是,将千克与通过硅原子质量的普朗克常数相关。这个想法是使用没有粗糙度的完美球形硅球,并且其晶体结构必须没有缺陷或杂质。知道了晶格中原子占据的体积和球体的体积,我们可以估算球体中硅原子的数量N,这与质量比相同 m 从球到单个硅原子的质量然后,我们必须用普朗克常数将硅原子的质量连接起来。此链接不依赖于Grand K,并且物理学家以很高的精度(比重新定义千克所需的精度更高)测量了它(例如,采用原子干涉技术)。

我们在重新定义公斤的过程中在哪里?

R.D .: 我们正在按照路线图制定准确的时间表。实验室目前正在测量普朗克常数。已经设置了某些约束条件:三个实验(瓦特平衡或硅球)的不确定度必须小于10亿分之50,其中一个精确度要高于10亿分之20,加拿大的平衡就是这样。用于硅球。这些结果必须在2017年7月1日之前接受发布。如果一切顺利,度量衡大会将在2018年秋季举行会议,以采用新的千克定义。

重新定义公斤会对计量实验室产生什么影响?

R.D .: 大会之后,这一新定义将必须在实验室中实施,这将花费几个月的时间。的 毕马威 在现阶段将发挥重要的协调作用。

瓦特秤至少在最初不会每天使用。它们太复杂而无法操作。因此,它们将像Grand K一样不时用于校准参考原型。这些硬件标准是实用的,并已在日常使用中证明自己。

当然,也可以想象计量实验室的经理会希望更定期地使用其瓦特平衡来进行校准。因此,瓦特天平的发展不会随着普朗克常数的测量而停止。此外,其他实验室可能希望建立自己的功率平衡。再来一次 毕马威 将继续发挥协调作用,以确保那些希望校准公斤的人能够以足够的精度做到这一点。

最终,这不会改变计量学家的日常生活,但是他们将根据更可靠,更实用的千克定义来工作。唯一可以看到变化的领域是电子工程师,他们使用基于普朗克常数的常规值的单位。当该常数的值一劳永逸地固定后,电子设备所使用的常数将被修改,但是会以微小的方式被修改。过渡结束后,就无需再去过渡了。

材料标准将继续有用。大K呢?

R.D .: 大K也不会随着新的千克定义而消失。 1875年签署并仍然有效的仪表公约要求保存国际原型 毕马威 在推荐条件下。同样,那时还有铂金条定义了仪表。

此外,Grand K可能会面临瓦特平衡,以最终知道其质量是否稳定或相反。

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