国际单位制是全球统一认可的现代测量体系,其中 7
个被严格定义的基本单位分别为:长度、时间、热力学温度、物质的量和发光强度。它们也是人们在日常生活中经常用会到的测量单位。但是,这些单位的标准又是谁来决定的?是谁决定了我的质量是
50 千克,而非 40 千克呢?

在过去的 130
年里,这个问题的答案是法国巴黎国际计量局内的一根铂铱合金圆柱体,直到现在。

根据国际计量大会的决定,从 2019 年 5 月 20
日起,作为最后一个由人工制品定义的单位,千克将与安培、开尔文和摩尔一同与基本物理常数联系起来。

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图 | 过去 130 年中的标准千克:国际千克原器,又称“大 K”

基本单位的变迁

在过去的 130
年里,这根存放在巴黎郊区的铂铱合金圆柱体为全世界的科研工作者提供了一个统一的质量标准,也因此极大地推动了各个学科的发展。毕竟,在各种高精度试验里,古人所说的”失之毫厘,谬以千里”真是一点也不夸张。而经过统一校准的测量设备却可以让人们精确地复制他人的试验,确保科学发现的再现性。

可是,随着时间的推移和一次次的校准工作,这根圆柱的重量难免因磨损而发生了细微变化。共损失了约
50 微克的重量。不要小瞧这 50
微克的重量,虽然微乎其微,但易变的人工制品显然已无法满足现代精密的测量要求。

早在之前,除千克以外的其它基本单位,例如长度,就已经由自然常数定义了。

其中,长度的单位“米”,最初定义是从北极至赤道经过巴黎的子午线长度的一千万分之一。但由于这段距离并非常数,米被重新定义,与一个自然常数——光速挂钩,为光在真空中每
1?299792458 秒内行驶的距离。

另一边的时间单位“秒”,原先是一天时长的 86400
分之一。同样,因为地球自转的周期并非绝对,现在已被定义为”铯-133
原子基态下,两个超精细能级之间跃迁对应辐射周期的 9192631770 倍”时间。

如今,我们将使用普朗克常数为新标准,重新定义“千克”。

新的“千克”

首先,什么是普朗克常数?

它是量子力学中计算光子能量的常数,代表能量子与辐射电磁波之间的关系。数值为6.62607015×10-34,单位是焦尔?秒,也可写成千克?米2?秒?1。

我们可以发现,根据以上的单位转换,千克与普朗克常数产生了关联,所以我们也就能够通过该常数和两个基本单位——米和秒来定义千克。

澳门金莎,根据公式计算,一千克的质量等于1.4755214×1040个具有铯-133
原子共振频率的光子所具有的质量。

对此,麻省理工学院的物理学教授 Wolfgang Ketterle
表示,此次对千克的定义转变是具有历史意义的,这意味着今后世界各地的科学家和工程师,甚至是外星人,都能精确匹配出相同的“一千克”。

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图 | 一千克的传统定义与新定义(来源:Alan Jamison, MIT)

既然有了全新的定义,千克的测量方法也有所改变。

理论上来讲,研究人员可通过反射将光子汇聚在光学腔内,从而测量出定量光子的质量。但是,有谁能精准的数出1040(1
后面 40 个零)个光子呢?

就像没有人会用 1 分钱的硬币去数出 1000
万元一样,科学家们有办法把单个光子的“1 分”硬币换成更容易数的“100
元”大钞。

目前已有两种可用于高精度质量测量的方法:利用电流产生磁反作用力来测量质量的Kibble
平衡,和可以得出阿伏加德罗常数的超高纯度单晶硅球。这两种技术都是现在世界各地实验室使用的标准技术。

未来,光子的计算和频率测量技术还会不断提高,人们对质量的测量只会越来越精确,再也不用依赖一块人工合金制品了。

可以说,这套于 5 月 20
日实施的全新国际单位制定义,标志着人类舍弃传统定义,向宇宙标准看齐的历史变革。

-End-

责编:陈翔宇

参考: