世界科学家尝试用自然常数标定质量单位:千克

http://www.sciencehuman.com   科学人 网站 2004-05-30

　　在计量长度、重量和容积的度量衡基准中，长度和容积早已实现用光速或原子振动等自然常数来标定，只有质量单位千克仍然由有形物体（铂金圆柱体）来标定。不过，到今年底或明年初，研究人员将可完成用电磁力方法重新定义质量单位千克，同时还将研究采用原子计数的办法来定义千克。

　　德国国家度量衡学研究所的研究人员贝克说：“千克是整个度量衡系统白色夹克衫上的黑污点”。几十年来，全世界的研究人员一直试图抹掉这一污点，采用的方法包括计算1000克物质中的原子数目，以及将质量转换成一种电磁力等。

　　据新出版的《科学》杂志报道，与自然常数不同，人工制成的千克基准会随着时间推移而发生变化。尽管过去一个世纪以来，一直保存在巴黎国际度量衡局中的“千克-18”千克基准的变化不大，但这个千克圆柱体基准是1880年，在当时工业污染很严重的伦敦锻造出来的，由于污染物的影响，可能随时间的推移正在丧失其质量基准。同100年前相比，现在的大气中含有更多的水银，由于千克基准是由含铂金的合金制成的，而铂金会吸收水银，这就使质量基准的准确性不可避免地受到了影响。

　　英国国家物理实验室的罗宾逊等人正采用“瓦特平衡法”定义千克，试图将千克质量同基本自然常数联系在一起，其精度有望达到一亿分之一。如果试验获得成功，他们将能按照长度、时间、引力和普朗克常数，重新定义质量单位。为了达到这一目的，他们设计出了极灵敏的仪器，实验还被安排在建筑物内没有人工作的夜间进行。罗宾逊称，他已将测量精度提高到一亿分之一，但他对发表这一成果持谨慎态度，因为测量值几周后发生了漂移。不过现在他已找到了问题的起因：测量必须完全在真空下完成，彻底消除空气浮力的影响。

　　在美国国家标准技术研究院，利用“瓦特平衡法”来定义千克基准也获得不错的成果。1998年，斯特诺等人公布的结果精确到一千万分之一。使用改进的仪器，他们也获得一亿分之几的精度。瑞士也有一台原型仪器投入试验，另一台仪器正在法国巴黎建造。罗宾逊说：“尽管这些仪器都采用同样的机理，但美国的仪器和瑞士的仪器，在物理上是不同的。如果他们全都独立地产生同样的测量值，那将表明这种技术是有效的。”

　　利用原子计数法来重新定义千克基准，则遇到较大的困难。这个方法比复杂的“瓦特平衡法”更为直观，它只涉及到在已知质量中，计量原子的数目。但单独地计数到10的23次方个原子，花费的时间太长，因此人们正在设计灵巧的方法，以加速这一计数过程。目前在一项称为“阿伏伽德罗”的国际合作计划中，科学家正在计量0.012千克碳-12原子的总数。阿伏伽德罗计划涉及到葡萄柚大小的超纯单晶硅球。测量球的直径和硅原子之间的间距，将精确地揭示它们包含多少个原子。问题是硅含有多种同位素，而测出各种同位素的比率十分困难。所以目前精度仅达到一千万分之一。罗宾逊说：“使用各种方法重新定义千克基准的研究人员都不能单独发表其测量成果，即使自己已经首先获得测量结果，也必须等其他人获得相同的成果，才能证明自己的结果有效。”科学家们认为，未来几年将用“瓦特平衡法”来裁决。只有最终在“重量和测量大会”上通过这一测量值，才能采用这个千克新定义。(科技日报)

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