數學常量更靠譜
- 發佈時間:2015-07-23 05:46:22 來源:經濟日報 責任編輯:羅伯特
國際單位制中的千克,現在仍利用特定的原器來定義。然而,這塊國際千克原器卻由於某種未知的原因,逐漸出現了品質減少的現象。當這個物理學常量無法作為精確的基本衡量單位時,科學家們就開始著手研究,如何用數學常數形式對它進行重新定義。
事實上,對千克的定義能夠追溯到法國大革命時期,科學家們將一個鉑銥合金的圓柱體作為1千克的標準重量,也就是我們所謂的國際千克原器(IPK)。
按照國際計量局(BIPM)的定義,“千克是品質的單位,1千克就是國際千克原器的品質”。國際千克原器有高爾夫球大小,直徑3.9釐米,由90%的鉑和10%的銥構成,現在被保存在法國塞夫勒市的國際計量局中。
這塊國際千克原器上個世紀品質減少了0.0001克。有人認為是微量的金屬逐漸被腐蝕,也有人猜測或許是由於圓柱體在鑄造時鎖定在內部的氣體消失的原因。人們甚至更擔心國際千克原器會被盜或被損壞。0.0001克只相當於一個塵埃粒子的品質,但意味著官方品質定義不再準確,這促使科學家們決定找到定義千克的更精確的方法。
計量學家決定在普朗克常數的基礎上定義千克。普朗克常數在量子物理中表示量子的大小,作為數學常量,普朗克常數與光在真空中傳播的速度一樣可靠。然而科學家們需要先想出一種方法來評估另一種常數——阿伏伽德羅常數。阿伏伽德羅常數表示1摩爾物質中所含的分子數或原子數,與許多重要的物理常數相關,它對重新定義千克的概唸有著重大的意義。
今年早些時候,來自義大利國家計量科學研究院的Giovanni Mana和其他研究人員測得了新的阿伏伽德羅常數。他們採取的測量方法是計數1千克重的高純硅-28球體中有多少個原子。當硅結晶時,它會形成規律的晶格結構,每個基本的晶胞中含有8個硅原子。如果能分別得知硅晶體總的體積,以及每一個硅原子所佔的體積,就可以計算出其中硅原子的數量。他們的研究成果發表在《物理與化學參考數據期刊》上。
這一評估結果能夠用於量化普朗克常數,並且幫助他們以純數學常量的形式重新定義千克。科學家預計將於2018年發佈重新定義的千克概念。Mana博士表示:“在對千克進行重新定義之前,我們必須保證新的定義與原來的完全一致,在世界最小精度誤差之內。否則當我們將千克定義轉換成新的定義之後,科學界、企業以及工商業團體都將不得不改變現存人工製品的品質數據。”
研究人員認為,對於阿伏伽德羅常數進行更準確的定義,加強了對普朗克常數的定義,最終給千克這一品質單位一個更堅實的數學定義。
千克是七個基本單位之一,另外六個基本單位是長度單位米、時間單位秒、電流單位安培、溫度單位開爾文、化學量單位摩爾和光強單位堪培拉。與其他六個基本單位相比,千克是唯一一個基於物理對象而非物理常數定義的國際標準單位。物理學家認為,用物理常數重新定義千克可將電氣測量的精度提高50倍。
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