世界科學家嚐試用自然常數標定質量單位:千克

在計量長度、重量和容積的度量衡基準中，長度和容積早已實現用光速或原子振動等自然常數來標定，隻有質量單位千克仍然由有形物體（鉑金圓柱體）來標定。不過，到今年底或明年初，研究人員將可完成用電磁力方法重新定義質量單位千克，同時還將研究采用原子計數的辦法來定義千克。
德國國家度量衡學研究所的研究人員貝克說：“千克是整個度量衡係統白色夾克衫上的黑汙點”。幾十年來，全世界的研究人員一直試圖抹掉這一汙點，采用的方法包括計算1000克物質中的原子數目，以及將質量轉換成一種電磁力等。

據新出版的《科學》雜誌報道，與自然常數不同，人工製成的千克基準會隨著時間推移而發生變化。盡管過去一個世紀以來，一直保存在巴黎國際度量衡局中的“千克-18”千克基準的變化不大，但這個千克圓柱體基準是1880年，在當時工業汙染很嚴重的倫敦鍛造出來的，由於汙染物的影響，可能隨時間的推移正在喪失其質量基準。同100年前相比，現在的大氣中含有更多的水銀，由於千克基準是由含鉑金的合金製成的，而鉑金會吸收水銀，這就使質量基準的準確性不可避免地受到了影響。

英國國家物理實驗室的羅賓遜等人正采用“瓦特平衡法”定義千克，試圖將千克質量同基本自然常數聯係在一起，其精度有望達到一億分之一。如果試驗獲得成功，他們將能按照長度、時間、引力和普朗克常數，重新定義質量單位。為了達到這一目的，他們設計出了極靈敏的儀器，實驗還被安排在建築物內沒有人工作的夜間進行。羅賓遜稱，他已將測量精度提高到一億分之一，但他對發表這一成果持謹慎態度，因為測量值幾周後發生了漂移。不過現在他已找到了問題的起因：測量必須完全在真空下完成，徹底消除空氣浮力的影響。

在美國國家標準技術研究院，利用“瓦特平衡法”來定義千克基準也獲得不錯的成果。1998年，斯特諾等人公布的結果**到一千萬分之一。使用改進的儀器，他們也獲得一億分之幾的精度。瑞士也有一台原型儀器投入試驗，另一台儀器正在法國巴黎建造。羅賓遜說：“盡管這些儀器都采用同樣的機理，但美國的儀器和瑞士的儀器，在物理上是不同的。如果他們全都獨立地產生同樣的測量值，那將表明這種技術是有效的。”

利用原子計數法來重新定義千克基準，則遇到較大的困難。這個方法比複雜的“瓦特平衡法”更為直觀，它隻涉及到在已知質量中，計量原子的數目。但單獨地計數到10的23次方個原子，花費的時間太長，因此人們正在設計靈巧的方法，以加速這一計數過程。目前在一項稱為“阿伏伽德羅”的國際合作計劃中，科學家正在計量0.012千克碳-12原子的總數。阿伏伽德羅計劃涉及到葡萄柚大小的超純單晶矽球。測量球的直徑和矽原子之間的間距，將**地揭示它們包含多少個原子。問題是矽含有多種同位素，而測出各種同位素的比率十分困難。所以目前精度僅達到一千萬分之一。羅賓遜說：“使用各種方法重新定義千克基準的研究人員都不能單獨發表其測量成果，即使自己已經首先獲得測量結果，也必須等其他人獲得相同的成果，才能證明自己的結果有效。”科學家們認為，未來幾年將用“瓦特平衡法”來裁決。隻有*終在“重量和測量大會”上通過這一測量值，才能采用這個千克新定義。

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