诛仙手游羽翅回蓝效果:如何重新定义一千克？

国际标准1千克神秘变轻 科学家提议重新定义

在所有国际单位制的度量单位中，质量是唯一一个仍然用特定的物件来定义的。铂铱合金的圆柱体始终被科学界当做参考对象。

这个圆柱体（如上图所示）被置于一口钟形罩内，存放在国际计量局（该局位于巴黎附近的塞弗尔）。为了避免各种损坏，原件的操作必须在严格的协议管制下进行，详见国际计量局关于该条款的摘要。

尽管有这些预防措施，它还是不可避免的被腐蚀了。从1889年它投入使用以来，它已经减少了几十微克。这虽不是什么大事，但也足以令人头疼，国际计量局电力处处长Michael Stock这么认为。

“Ces faibles variations de masse n’ont pas, jusqu’à présent, posé problème. Mais à terme, il existe un risque. Les mesures sont de plus en plus précises, ce qui implique une meilleure définition de l’unité de la masse.

“这些细微的质量变化至少到现在还没有产生问题，但长期来看还是存在风险的。度量单位越来越精确，这意味着我们必须找出一个对质量单位更好的定义。”

Autre écueil : le prototype est en France. Quiconque a besoin, pour ses recherches, de connaître la définition précise d’un kilogramme doit venir jusqu’au BIPM.”

另一个潜在的问题是，这个铂铱合金圆柱体的原件在法国。任何人出于科研的目的，需要了解一千克的精确定义，都必须前往国际计量局才能探个明白。

Sept unités de base. Toutes les unités de mesure sont définies, dans le Système international, à partir d’une “combinaison” de sept unités de base : le kilogramme, le mètre, la seconde, le kelvin (température), la mole (quantité de matière), l’ampère (intensité), le candela (lumière). Ce travail de définition et d’harmonisation du Système International d’unité a été entamé il y a deux siècles.

七个基本单位：所有国际单位制下的度量单位，都是由七个基本单位的组合而来的：千克，米，秒，卡尔文（温度），摩尔（物质的量），安培（电流），堪德拉（发光强度单位）。国际单位制的定义和统一的工作已启动了约两个世纪。

Prenons l’exemple du mètre. Sa définition a souvent changé au fil des siècles. Un mètre était jadis une portion du méridien terrestre. Puis, l’unité de longueur a été définie comme la distance entre deux points d’une barre d’un alliage de platine et d’iridium. Depuis 1983, le BIPM a choisi de le définir par rapport à une constante de la nature : la vitesse de la lumière.

举个“米”的例子吧。米的定义几个世纪以来经常在变。米曾经是本初子午线长度的一部分。后来，长度单位被定义为铂铱合金棒两端的距离。自1983年以来，国际计量局选择根据一自然常数为其定义——光速。

La fable de la constante de Planck et du kilogramme. La question de la redéfinition du kilogramme a été soulevée, fin janvier, lors d’une conférence à la Royal Society de Londres. Mais la décision attendra sans doute 2015.

有关普朗克常数和千克的奇谈。关于重新定义千克的问题在一月末的伦敦皇家科学学会中被提出，但这项决议很有可能要等到2015年。

D’ici là, les scientifiques devront peaufiner un dispositif expérimental complexe pour mesurer le lien qui unit la masse avec une constante de la nature : la constante de Planck, du nom de l’un des pères de la physique quantique.

在此期间，科学家们将要极其仔细地操作一个复杂的实验仪器，来测量质量和一个自然常数的联系，该自然常数即普朗克常数。普朗克被誉为量子物理学之父之一。

Relier cette constante à la masse exige une expérience complexe. Elle nécessite un dispositif appelé balance du Watt qui permet de convertir une puissance électrique en puissance mécanique. Entre trois et cinq balances sont ou seront à la disposition des équipes chargées de redéfinir le kilogramme.

将这个常数和质量联系在一起需要一个复杂的实验。这其中要用到一个叫做瓦特天平的仪器，该仪器能够将电能转换为机械能。科研小组将使用三到五台天平来负责重新定义千克。

[Lier la constante de Planck à une masse est chose complexe. Pour les courageux, voir les précisions à la fin de cet article.]

（将普朗克常量和质量联系起来是一件着实复杂的事。如果你是勇敢者，敬请参阅本文结尾的细节。）

Au final, comme l’explique Michael Stock, la précision de cette nouvelle définition du kilogramme dépendra de la précision des mesures effectuées lors de l’expérience  (tension, intensité, vitesse, etc. ) – la constante de Planck étant, elle, “fixée par la nature”. D’où l’intérêt d’avoir entre trois et cinq dispositifs expérimentaux pour comparer les résultats.

最后，如同迈克尔斯托克（Michael Stock）所解释的那样，对质量的新的定义的精确度，取决于提出的方案在实验过程中的精确度（电压，电流，速度等）——而普朗克常数，本身就是自然固定的。拥有三到五台实验设备的好处，便是可以从中相互比较结果。

Pour le moment la communauté scientifique affûte ses instruments. Les conclusions de ce travail seront vraisemblablement soumises lors de la réunion des instances du Système International aux alentours de 2015.

目前科学界正在精心打造他们的仪器。这项工作的结果将于2015年左右在国际单位制的部门集会上提交。

Si une nouvelle définition du kilogramme est adoptée, il s’agirait d’un premier pas vers une refonte globale du Système international pour l’adapter à la science du XXIe siècle. Prochaines étapes, donc : la redéfinition de l’ampère, du kelvin et de la mole. Mais, d’après Michael Stock, “c’est une autre histoire…”

如果新的千克定义被采纳，这将是对国际单位制进行整体改编使其适应21世纪新科学而迈出的第一步。那接下来的几步呢，也许是安培、开尔文和摩尔的重新定义。但正如Michael Stock所说：“这又是另一回事了。”

 Photo : BIPM

图片：国际计量局

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　用碳-12原子重新定义标准千克

　　现在，美国的两位教授(一位物理学家和一位数学家)表示，现在到用一种更好的新方法定义千克的时候了，从而保证它能在现在、未来和118年后不会发生任何变化。他们已经发起一项活动，目的是用大量(但是没有指定精确数目)碳-12原子重新定义千克的定义。佐治亚理工学院物理学分校的名誉退休教授罗纳德·福克斯说：“我们的标准将避免利用人造物质定义千克。我们希望用一些从逻辑上非常容易理解的方法来定义它。”他们的提议是，从今以后克(一千分之一千克)将被严格地定义成18×14074481个碳-12原子的质量。

　　新定义需要先确定阿伏加德罗常数

　　新的标准千克定义方法由福克斯和乔治亚理工学院数学分校的名誉退休教授西奥多·希尔提出。这项建议首先需要确定阿伏加德罗常数的数值。19世纪的意大利科学家阿伏加德罗提出了阿伏加德罗常数，这个常数表示一摩尔纯净物质中的原子或分子数，例如，12克碳-12中的碳原子数量。然而，阿伏加德罗常数不是一个明确数量，而是一系列可通过实验室方法得到证实的评估，对一个单一数字来说，它不具备足够的精确度。

　　希尔提出半开玩笑关认真的问题——阿伏加德罗常数是偶数还是奇数？这个问题激发了他们的想象力。2006年，福克斯和他给物理论文档案递交了一份论文，其中他们提出了给这个常数确定一个具体的数值——大约是试验范围的十分之一的数值。这两位论文作家指出，精确的阿伏加德罗常数正好可以用来重新定义质量单位千克。他们的提议引起了《美国科学家》杂志编者的注意，他们要希尔和福克斯写了一篇更长的文章发表在2007年3月号杂志上。到目前为止，已经有5人给他们写信，其中包括美国化学学会术语、术语学和标志委员会主席保罗·卡罗尔的来信。卡罗尔认可了这项提议，指出新定义应该用这个数字除去12。因此阿伏加德罗常数的新提议让上述数字变成了8444.6886万(立方)，仍然处于可接受的数值范围内。

　　2007年9月，福克斯在美国有线新闻网上看到一篇美联社的文章，这篇文章描写了国际千克原器质量减轻了。虽然美联社表示，减轻的质量总共不超过“一个指纹的质量”，但是福克斯争辩说，对用远远低于十亿分之一秒来计算时间和远远小于微毫米的长度来计算距离的世界来说，这个减轻的数值会产生巨大影响。因此福克斯和希尔给《物理学档案》提交了另一篇论文，提出重新将克定义为一摩尔碳-12质量的十二分之一。长期以来人们一直将一摩尔物质所含的分子数定义为阿伏加德罗常数。现在他们希望人们能对他们的想法产生更浓厚的兴趣，以便在2011年的国际度量委员会会议获得顺利通过。

　　其他定义标准千克新方法也在讨论中

　　目前，至少有两个重新定义千克的其他提议正在讨论中。它们包括用纯硅原子球体取代铂金和铱混合圆柱体；利用已知的“瓦特天平”装置，并利用电磁能定义千克。每种方法都是在现有标准的基础上进行改进。但是两种方法并没有福克斯和希尔提出的方法简单、准确。希尔说：“利用完美的数字立方定义这些常数，产生的重要意义与定义秒和光速的整数一样。千克的纯数学定义从实验方法上来说是不正确的。随后研究人员会利用任何可能的实验方法得出他们希望的近似精确的质量。”

　　千克是最后一个通过人造物质，而不是基本物理属性定义的重要标准。例如，1983年，代表一米的距离被定义成光在两亿九千九百七十九万两千四百五十八分之一秒内行驶的距离，从而取代了两个点之间的距离的定义法。福克斯说：“我们怀疑现在存在一些有关这个问题的讨论。我们希望科学家和理科教师，以及其他人考虑这个问题，因为我们认为它们拥有重要的影响力。公众讨论在确定如何定义世界上的一个基本物理常数时，起着非常重要的作用。这个问题对世界未来的科技发展非常重要！当你制定物理和化学的度量单位，精确度越高越好，这些标准定义的精确度确实有限。缺少精确的标准会让你在陈述结果时出现一些矛盾。拥有一个独一无二的标准可以消除上述种种问题。”