2016年2月25日 星期四

重大新聞:公斤的再定義進入關鍵的考驗

Massive News: Kilogram Redefinition Heads Into Crucial Test

Superprecise standard masses are on their way to Paris for a critical weigh-in


By Rachel Courtland
Posted 19 Feb 2016 | 16:00 GMT

Masses in Motion: Canada will send a cousin of this kilogram mass to Paris for a
 dry run of the unit’s redefinition. It’ll be joined by masses from around the world.
K50將展開旅程。不久後,在老家渥太華製造,由鉑和銥製成高爾夫球般大小的圓柱體,將被精心包裝起來,由加拿大外交人員手提,搭乘飛機帶往法國。在沒有特殊指令的情況下,海關或機場安檢不會打開它。

這項珍貴的貨物會和其他同類的物品會在幾個禮拜內一起運入巴黎。它們的目的地:國際度量衡局(BIPM)就在城市外不遠處,在那裡它們將被互相比較,看其估計質量是否吻合。


這個儀式是個測驗、是一次試運轉,看看世界是否已為定義質量方式的轉變做好準備。目前,國際單位系統(International System of Units)使用物理對象來定義公斤:一個超級人瑞圓柱(supercentenarian cylinder)稱為國際公斤原器(IPK),它是K50和其他許多質量標準的起源(progenitor)。雖然IPK被存放於保管庫內很少取出,但它是一個物理對象,所以質量仍然會變化。由於它的質量被定義為1公斤,因此若它發生任何本質上的變化,將對其他一切有質量的事物產生影響。

世界上計量學家(metrologists)的目標是在2018年透過普朗克常數(一個基本物理常數)來固定公斤的定義,以改變現在的狀況。改變之後,原則上可讓任何實驗室用一系列的實驗和專門的設備,從無到有實做出(realize)公斤。但若要採用此方案,一個實驗室獲得的公斤定義必須與其他實驗室獲得的相同。 [對於如何做到這點的詳述,請參閱"The Kilogram Reinvented,” IEEE Spectrum, May 2012.]

「現在的問題是,如何使這些被分別實做出來的公斤相符合呢?」BIPM負責領導該試驗研究(pilot study)的Michael Stock說。Stock期望大約六個小組參與測重。其中兩個將歡迎來自德國和日本的國家計量機構,因為他們擁有超純矽球體(ultrapure silicon sphere),而其特性是測量有很高的精確度—這是一種確定公斤的可能方法。其餘的小組將代表研究瓦特平衡(watt balances)的機構,測量某質量物體需要多少電磁力才能抵抗所受重力。


有許多瓦特平衡和類似的機電平衡(electromechanical balances)裝置在世界各地建設。但若要參加此試驗研究,小組必須證明它能讓測量公斤的不確定性(uncertainty)低於0.00002%,相當於200微克。

「我們準備好了,」Carlos Sanchez,加拿大國家研究理事會電氣標準的專業領導人(discipline leader)說。在IEEE Spectrum在印刷時,他和他的同事Richard Green針對小組用瓦特天平測得的K50質量做了一系列校準。他們的裝置最近達成僅18微克的不確定性,是目前已公開的最小數字,且遠遠低於BIPM的要求。

但關鍵的考驗是其他測量該如何達成一致。先前的實驗雖能有效地將瓦特平衡測量法顛倒過來,利用質量物體來測量普朗克常數,但卻一直無法達到完美相符。
BIPM希望在三月底收到所有要測試的質量物體,即使參與對象和預計抵達時間的名單是在截至記者發稿時才敲定。比較測量(comparison measurements)需要幾個月的時間,因此測量結果不可能在明年之前公布。

測試的結果關係到2018年公斤的命運,現在仍無法確定。因此,也就是「如果一切順利的話,質量物體間的相互比較將證實未來的系統能夠正常運作。如果它無法令人滿意,就可能成為公斤再定義之路上的一個障礙,」Stock說。 「因此,這肯定會很有趣。」

這篇文章將出現在2016年3月印刷出版的“Crunch Time for the Kilogram.”
來源:http://spectrum.ieee.org/consumer-electronics/standards/massive-news-kilogram-redefinition-heads-into-crucial-test