质量单位“千克”是如何被重新定义的?

千克的新定义:从实物基准到基本物理常数 自1889年起,千克长期由保存在法国国际计量局的国际千克原器IPK 定义,这是一个由铂铱合金制成的圆柱体。然而,实物基准存在稳定性问题——IPK的质量会因表面污染、磨损等因素发生微小但不可忽视的变化,法满足现代科技对高精度计量的需求。

为决这一缺陷,科学界历经数十年探索,最终决定将千克与恒定不变的基本物理常数绑定。2018年11月16日,第26届国际计量大会CGPM通过决议,正式更新千克的定义,并于2019年5月20日“世界计量日”起生效。 新定义的核心是普朗克常数h——这一量子力学中的基本常数,其数值被固定为6.62607015×10⁻³⁴焦耳·秒J·s。

根据新定义,千克被明确表述为:“对应普朗克常数为6.62607015×10⁻³⁴J·s时的质量单位”。这一关联通过两种关键技术实现:一是基布尔天平,它通过精确测量电磁力与重力的平衡,将质量转化为能量E=mc²,再结合量子力学中能量与普朗克常数的关系E=hν,最终实现质量与h的直接挂钩;二是X射线晶体密度法XRCD,通过测量近乎美的单晶硅球的体积、晶格常数及同位素丰度,精确计数其中的原子数量,再基于阿伏伽德罗常数与普朗克常数相关联反推硅球质量,从而复现千克。

新定义彻底摆脱了对实物基准的依赖,赋予千克更高的稳定性和普适性。论在地球的任何角落,还是未来的深空探测中,只要能精确测量普朗克常数,就能复现千克单位。这不只是计量领域的一次革新,更标志着人类对自然基本规律的认知与应用迈入新阶段。

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