新測定重新定義國際質量單位

19新測定重新定義國際質量單位

利用一個最先進的測量質量設備，美國國家標準技術研究所(NIST)的研究者得出了普朗克常數的最精確測定，這是一個科學上的重要值，將幫助重新定義國際單位制SI中的官方千克質量定義。這一研究已被計量學雜誌接收，正好趕在7月1日的測量國際截止日期之前，重新根據基本自然常數定義整個國際單位制。

NIST對普朗克常數的新測定為6.626069934 x 10-34 kg-m2/s，不確定性僅為10億分之13。NIST先前於2016年發佈的測定不確定性為10億分之34。

千克目前是根據存儲在法國的人造鉑銥質量定義的。科學家想將這一人工製品替換為基於自然基本常數的更可復現的定義。

普朗克常數使研究者將質量與電磁能相關聯。為了測定普朗克常數，NIST使用英國國家物理實驗室(NPL)的布里安·基布爾40多年前提出的基布爾天平，原先也被稱為瓦特天平。去年物理學家廣泛採用了新的名字，以表彰布里安·基布爾。

NIST的基布爾天平使用電磁力平衡千克質量。電磁力由夾在兩個永磁體中間的一卷線圈提供。基布爾天平有兩種操作模式。在一種模式下，電流通過線圈，產生磁場與永磁體的磁場相互作用，形成向上的力平衡千克質量。在另一種模式中，線圈被以勻速舉起。向上的運動誘發線圈中產生電壓，正比於磁場的強度。通過測量電流、電壓和線圈速度，研究者就能計算出普朗克常數，這與平衡質量所需的電磁能總量成比例。

NIST工作的領導者物理學家Stephan Schlamminger稱，新測定的提升主要有三個原因。

首先，研究者有多得多的數據。新成果使用了16個月的測量數據，從2015年12月一直到2017年4月。實驗統計數據的增加大大降低了普朗克值的不確定性。

其次，研究者在兩種操作模式下測試了磁場中的變化，發現他們曾過高估計線圈磁場對永磁體磁場的影響。新測定中的隨後調整不僅加大了普朗克常數的測量值，而且降低了測量的不確定性。

最後，研究者十分詳細地研究了運動線圈的速度對電壓的影響。NIST成果的第一作者Darine Haddad解釋道：“我們改變了在磁場中移動線圈的速度，從0.5mm/s到2mm/s。”在磁場中，線圈就像是一個由電容器、電阻器以及電感器組成的電路。在移動線圈中，這些類似電路中的基本元件產生隨時間變化的電壓。研究者測量這一時變電壓，並將其納入考慮之內，降低測量值的不確定性。

NIST新測定值是全世界普朗克常數測定值的一份子。加拿大國家研究委員會的另一個基布爾天平測定值的不確定性僅為10億分之9.1。另外兩項新的測定則利用了阿伏伽德羅技術，涉及計算純硅球中原子數量。

新測定的不確定性是如此之低，都超過了根據普朗克常數重新定義千克的國際要求。

Schlamminger説道：“要求三次實驗不確定性低於10億分之50，一次低於10億分之20。但我們三次實驗均低於10億分之20。”

NIST物理學家Darine Haddad用一杯咖啡和糖塊解釋了普朗克常數的重要性。Credit: NIST

所有這些普朗克常數的新值均不重合。“但整體上它們驚人的一致。特別是考慮到研究者利用兩種完全不同的方法進行的測定。”這些值被要求在7月1日之前提交到一個名為國際科技數據委員會(CODATA)的組織。CODATA將考慮所有這些測定值，設定一個新的普朗克常數值。在2018年11月將會重新定義千克和其他國際單位制中的單位。

在開始這些實驗之前，Schlamminger和他的團隊成員在2013年12月共進午餐。在餐巾紙上，每個成員都寫下了對團隊新測量將決定的普朗克常數值的預測。他們將餐巾紙藏在基布爾天平下面，現在他們能進行比較了。來自中國清華大學的客座研究員Shisong Li的猜測最為接近。他的預測與測定結果只相差了10億分之5。無法形容團隊將怎樣慶祝勝利者的猜測。