@ 2017.07.25 , 14:30

新测定重新定义国际质量单位

利用一个最先进的测量质量设备,美国国家标准技术研究所(NIST)的研究者得出了普朗克常数的最精确测定,这是一个科学上的重要值,将帮助重新定义国际单位制SI中的官方千克质量定义。这一研究已被计量学杂志接收,正好赶在7月1日的测量国际截止日期之前,重新根据基本自然常数定义整个国际单位制。

NIST对普朗克常数的新测定为6.626069934 x 10-34 kg-m2/s,不确定性仅为10亿分之13。NIST先前于2016年发布的测定不确定性为10亿分之34。

新测定重新定义国际质量单位
credit: 123RF

千克目前是根据存储在法国的人造铂铱质量定义的。科学家想将这一人工制品替换为基于自然基本常数的更可复现的定义。

普朗克常数使研究者将质量与电磁能相关联。为了测定普朗克常数,NIST使用英国国家物理实验室(NPL)的布里安·基布尔40多年前提出的基布尔天平,原先也被称为瓦特天平。去年物理学家广泛采用了新的名字,以表彰布里安·基布尔。

NIST的基布尔天平使用电磁力平衡千克质量。电磁力由夹在两个永磁体中间的一卷线圈提供。基布尔天平有两种操作模式。在一种模式下,电流通过线圈,产生磁场与永磁体的磁场相互作用,形成向上的力平衡千克质量。在另一种模式中,线圈被以匀速举起。向上的运动诱发线圈中产生电压,正比于磁场的强度。通过测量电流、电压和线圈速度,研究者就能计算出普朗克常数,这与平衡质量所需的电磁能总量成比例。

NIST工作的领导者物理学家Stephan Schlamminger称,新测定的提升主要有三个原因。

首先,研究者有多得多的数据。新成果使用了16个月的测量数据,从2015年12月一直到2017年4月。实验统计数据的增加大大降低了普朗克值的不确定性。

其次,研究者在两种操作模式下测试了磁场中的变化,发现他们曾过高估计线圈磁场对永磁体磁场的影响。新测定中的随后调整不仅加大了普朗克常数的测量值,而且降低了测量的不确定性。

最后,研究者十分详细地研究了运动线圈的速度对电压的影响。NIST成果的第一作者Darine Haddad解释道:“我们改变了在磁场中移动线圈的速度,从0.5mm/s到2mm/s。”在磁场中,线圈就像是一个由电容器、电阻器以及电感器组成的电路。在移动线圈中,这些类似电路中的基本元件产生随时间变化的电压。研究者测量这一时变电压,并将其纳入考虑之内,降低测量值的不确定性。

NIST新测定值是全世界普朗克常数测定值的一份子。加拿大国家研究委员会的另一个基布尔天平测定值的不确定性仅为10亿分之9.1。另外两项新的测定则利用了阿伏伽德罗技术,涉及计算纯硅球中原子数量。

新测定的不确定性是如此之低,都超过了根据普朗克常数重新定义千克的国际要求。

Schlamminger说道:“要求三次实验不确定性低于10亿分之50,一次低于10亿分之20。但我们三次实验均低于10亿分之20。”


NIST物理学家Darine Haddad用一杯咖啡和糖块解释了普朗克常数的重要性。Credit: NIST

所有这些普朗克常数的新值均不重合。“但整体上它们惊人的一致。特别是考虑到研究者利用两种完全不同的方法进行的测定。”这些值被要求在7月1日之前提交到一个名为国际科技数据委员会(CODATA)的组织。CODATA将考虑所有这些测定值,设定一个新的普朗克常数值。在2018年11月将会重新定义千克和其他国际单位制中的单位。

在开始这些实验之前,Schlamminger和他的团队成员在2013年12月共进午餐。在餐巾纸上,每个成员都写下了对团队新测量将决定的普朗克常数值的预测。他们将餐巾纸藏在基布尔天平下面,现在他们能进行比较了。来自中国清华大学的客座研究员Shisong Li的猜测最为接近。他的预测与测定结果只相差了10亿分之5。无法形容团队将怎样庆祝胜利者的猜测。

论文原文:DOI:10.1088/1681-7575/aa7bf2

DOI: 10.1088/1681-7575/aa70bf
本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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