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千克新定义：数学常量更靠谱

周明阳

//www.auribault.com 2015-07-23 来源：经济日报

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　　国际单位制中的千克，现在仍利用特定的原器来定义。然而，这块国际千克原器却由于某种未知的原因，逐渐出现了质量减少的现象。当这个物理学常量无法作为精确的基本衡量单位时，科学家们就开始着手研究，如何用数学常数形式对它进行重新定义。

　　事实上，对千克的定义能够追溯到法国大革命时期，科学家们将一个铂铱合金的圆柱体作为1千克的标准重量，也就是我们所谓的国际千克原器（IPK）。

　　按照国际计量局（BIPM）的定义，“千克是质量的单位，1千克就是国际千克原器的质量”。国际千克原器有高尔夫球大小，直径3.9厘米，由90％的铂和10％的铱构成，现在被保存在法国塞夫勒市的国际计量局中。

　　这块国际千克原器上个世纪质量减少了0.0001克。有人认为是微量的金属逐渐被腐蚀，也有人猜测或许是由于圆柱体在铸造时锁定在内部的气体消失的原因。人们甚至更担心国际千克原器会被盗或被损坏。0.0001克只相当于一个尘埃粒子的质量，但意味着官方质量定义不再准确，这促使科学家们决定找到定义千克的更精确的方法。

　　计量学家决定在普朗克常数的基础上定义千克。普朗克常数在量子物理中表示量子的大小，作为数学常量，普朗克常数与光在真空中传播的速度一样可靠。然而科学家们需要先想出一种方法来评估另一种常数——阿伏伽德罗常数。阿伏伽德罗常数表示1摩尔物质中所含的分子数或原子数，与许多重要的物理常数相关，它对重新定义千克的概念有着重大的意义。

　　今年早些时候，来自意大利国家计量科学研究院的Giovanni Mana和其他研究人员测得了新的阿伏伽德罗常数。他们采取的测量方法是计数1千克重的高纯硅-28球体中有多少个原子。当硅结晶时，它会形成规律的晶格结构，每个基本的晶胞中含有8个硅原子。如果能分别得知硅晶体总的体积，以及每一个硅原子所占的体积，就可以计算出其中硅原子的数量。他们的研究成果发表在《物理与化学参考数据期刊》上。

　　这一评估结果能够用于量化普朗克常数，并且帮助他们以纯数学常量的形式重新定义千克。科学家预计将于2018年发布重新定义的千克概念。Mana博士表示：“在对千克进行重新定义之前，我们必须保证新的定义与原来的完全一致，在世界最小精度误差之内。否则当我们将千克定义转换成新的定义之后，科学界、企业以及工商业团体都将不得不改变现存人工制品的质量数据。”

　　研究人员认为，对于阿伏伽德罗常数进行更准确的定义，加强了对普朗克常数的定义，最终给千克这一质量单位一个更坚实的数学定义。

　　千克是七个基本单位之一，另外六个基本单位是长度单位米、时间单位秒、电流单位安培、温度单位开尔文、化学量单位摩尔和光强单位堪培拉。与其他六个基本单位相比，千克是唯一一个基于物理对象而非物理常数定义的国际标准单位。物理学家认为，用物理常数重新定义千克可将电气测量的精度提高50倍。

编辑：周文

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