千克重新定义研究的最新进展

　　0 引言

　　计量科学经历了 18 世纪的基础力学、热力学计量，19 世纪的电磁学计量和 20 世纪的量子计量，已经形成了多学科、多种类的当代计量学。它处于宏观与微观、经典物理与量子物理的交界处，趋向于以量子物理学为基础的新型单位制———利用基本物理常数、原子间的物理特性等建立起的单位制[1]。国际单位制的 7 个基本计量单位定义的更新研究成为各国正在进行的当代计量科学的研究项目之一。

　　目前，除了千克 ( kg) 以外的其它 6 个国际单位制 ( SI) 基本单位都已利用基本物理常量或者原子的物理特性做了更新。作为质量基准的国际千克原器是1889 年法国第一届计量大会上确定采用铂铱合金制成的一个圆柱体，该原器一直按照第一届 CGPM 确定的条件要求保存在 BIPM。由于其表面甚至内部可能会吸附一些气体或某些杂质，国际千克原器的质量以每年10- 9数量级发生着变化。与国际质量原器同时制造的40 个同样的原器，在 1889 年经过校准后分发给 BIPM的成员国。1949 年经第二次质量国际原器比对时发现，各国质量原器的平均值偏离国际原器。1989 年又进行了第三次比对，结果发现平均值和1889 年的原始原器相差了25 ×10- 6g。比对的结果让使用自然基准重新定义千克的研究变得更加迫切。

　　1 基于自然基准的千克定义方法及最新研究进展

　　Maxwell 说过，物理量的计量基本单位不能以宏观量 ( 实物) 为基础，而应当以 “永恒的和不变的粒子”的物理特性为基础。1960 年国际单位制建立以来，科学家们就试图通过基本物理常数和原子的基本特性来重新定义作为国际单位制基本单位之一的千克。将基本单位建立在基本常数的基础上成为千克 ( kg)定义发展的方向。

　　目前，使用自然基准重新定义千克的研究主要基于以下几种方法。

　　1. 1 通过测量普朗克常数来重新定义千克

　　使用普朗克常数定义千克主要是基于量子力学的基本原理，通过电功率天平实现。其基本原理是:

　　根据基本物理方程 E = mc2和 E = hν，可以导出 m= hv / c2。其中: ν 为光频; h 为普朗克常数; m 为质量; c 为光速。如能精确测量普朗克常数，就可以通过长度和时间基本量来表示质量。

　　目前，测量普朗克常数的方法主要是机械功率与电功率比较的方法，最早由 NPL 的 Kibble 提出[2]。具体的实现方式是使用移动线圈功率天平装置中机械功率与电功率相等的原理，精密测量普朗克常数。目前BIPM，NIST，NUC，NPL 等计量研究机构均进行了相应装置的研究。

　　图 1 为 NIST 最新改进后的 WATT 天平。天平上放置参考质量，首先通过平衡轮实现参考质量和感应线圈的平衡，然后取走参考质量，通过速度动圈控制天平摆动，通过激光干涉仪测量天平的速度，这时通过基准电压装置测量感应线圈中的电动势，通过机械功率和电功率相等，就可以得到[3 -4]: