科学家设计了一种革命性的方式来重新定义千克

科学家正在重新想象我们可以设置标准测量单位,依靠数学,可测量的常数而不是物理参考对象。赢家/尼尔曼/盖蒂图像“width=
科学家正在重新想象我们可以设置标准测量单位,依靠数学,可测量的常数而不是物理参考对象。赢家/尼尔曼/盖蒂图像

如果您熟悉公制转换,您知道2.2磅等于1公斤。但是,一公斤重量的重量是多少?如何定义一个抽象概念,例如测量单位?自1875年以来,一公斤的确切重量已由千克国际原型,由90%铂金,10%的虹膜粉的合金制成的圆柱体,坐落在巴黎以外的环保拱顶中。每40年将其删除并与世界各地的六本副本进行了比较,这又被用作世界各地的复制重量的型号。

该系统在19世纪后期还可以。但是如今,由于药物生产,化学,天体物理学和其他努力所需的超级精确测量,它不再如此。加上另一个问题 - 将近一个半世纪后,体重增加,最有可能逐渐积聚在其表面上的污染物。

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德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck,1858-1947)的工作帮助科学家定义并理解了宇宙数十年。
Hulton Deutsch Collection/Corbis/Getty Images

这就是为什么国际体重与措施委员会,控制体重一公斤的含义的理事机构有兴趣根据自然界的某些基本标准切换到一个物理标准,这是科学家可以在整个地球的实验室中复制的。

美国政府国家标准技术研究所(NIST)的研究人员说,他们取得了突破,可以解决这个问题。使用NIST-4的新机器,他们已经确定更精确的价值为了普朗克的不变,在量子物理学中使用的一个很小的数字(和基本的物理量)来计算单个光子传输的能量。

普朗克的常数也可以用来定义千克,因为它也是一个基本常数 - 在我们的宇宙中不会改变 - 科学家可以进行实验以确定它是什么。NIST物理学家说:“我们可以修复该单元并问大自然,'使用这些单元的基本常数的数值是多少?”斯蒂芬·施拉林格(Stephan Schlamminger)在电子邮件中。“否则,我们可以修复数值,并使用实验来确定单元的大小。”

为了更准确地计算普朗克的常数,NIST研究人员采用了一种称为Kibble平衡的设备,该设备以发明该技术的英国物理学家的名字命名。Schlamminger说,该设备“将电力与机械功率进行比较”。“功率以瓦特的单位进行测量。机械功率是通过力度时间速度给出的。在平衡中,力是质量标准的重量。电力可以作为两个频率的乘积测量,而Planck常数。与两种用于测量电压和电阻的量子机械效应进行。因此,质量单位可以与普朗克常数相关。”

这是一段视频,NIST物理学家Darine Haddad使用一杯咖啡和糖分来解释普朗克不断的重要性:

2016年,NIST科学家发布了一个测量普朗克的不变,不确定性仅为十亿分之34,这是非常精确的。但是他们一直在实验,现在他们已经有几年的数据可以使用,他们已经进一步磨练了小数。新的NIST测量值将普朗克的常数设置为6.626069934 x 10-34 kg∙m2/s,不确定性仅为每十亿分。

NIST的研究人员是从加拿大到韩国各国的众多科学团队之一,他们正在争夺普朗克不断的最精确价值。Schlamminger说,有些还在进行木鸡平衡的实验,而另一些则使用X射线晶体密度方法,其中它们在极圆的硅球中推断硅原子的数量。

NIST物理学家指出,在衡量Planck的不确定程度的程度可能比公开的价值降低到10亿分之11。他说,但是他们希望已发表的数字足以重新定义千克。

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