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基于量子物理,“千克”概念被重新定义

发布者:無名 / 2019-5-22 10:28:07/ [显示全部楼层] /只看大图 /倒序浏览 /阅读模式
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[科技前沿] 基于量子物理,“千克”概念被重新定义

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“千克”的概念肯定我们每个人都不会觉得陌生。但是你知道它是怎么定义的吗?

在过去的大约130年间,国际上对于“千克”定义的标准,都是以国际千克原器“大K”的质量来作为原型参照的。所谓“大K”是一个铂-铱合金圆柱体,被保存在位于巴黎的国际度量衡局(BIPM)总部,这个圆柱体的质量就是“千克”的标准定义。但全世界的质量衡量指标竟然都要依赖这么一块金属来进行,简直令人匪夷所思。

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一直到最近(具体说来是2019年5月20日),这种状况才出现了改变:“千克”的定义不再是一块金属块了,而变成了某种脱离了实物的,更为抽象的存在——新的“千克”定义是基于无数的光子以及普朗克常数,或者说,基于量子物理学原理来构建的。

从某种程度上说,这是一项巨大的,但同时也是异常艰难的进步。在此之前,由于“大K”的质量并不稳定——原因很难说明,但是由于测量精度极高,哪怕最微小的质量变化都会对统一全球质量标准造成困扰。而新的“千克”定义将永久性解决这个棘手的问题。甚至,理论上,以后如果发现了外星人,人类还可以将我们对于“千克”的定义直接发送给外星人都可以,因为新定义下的“千克”已经成为一个真正的常量,可以被到处传播,而不再需要把一个金属块装在包里背着了。

不过,这样费尽心机真的值得吗?毕竟,新的千克定义和旧的定义其实描述的对象是一样的,就是一千克的概念。换句话说,不要指望“千克”的定义改了,你明天去称体重就会轻一些,不可能的。事实上,我们普通人的生活根本不会发生任何变化,受到影响的,恐怕只有某些特定的科学领域。

事实上,其他基本物理量也经历了类似的历史。比如:什么是一秒?根据美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的资料,一开始科学家们是用一台钟摆的晃动间隔去定义的。这存在误差可能,且难以校对。现在,科学家们对一秒钟的定义是:铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9192631770倍的时间。什么是一米?答案是:光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。

但质量的参数有所不同。我们一般使用“重量”的方式去测量“千克”概念的,比如这样东西放在称上有多重?这样的做法有一个严重缺陷,那就是它取决于你在什么地方进行这样的测量。由于不同天体引力大小不同,同样一块金属块,如果在月球上称重,那就要比在法国称重要轻得多。甚至在地球表面不同地点,同一个物体的称重结果也会出现轻微差异。

正如NIST所解释的那样,新的“千克”定义是基于质量和能量之间的基本关系,这种关系其实在爱因斯坦著名的“质能方程”中就有所体现:E=mc^2。意思是说,能量等于质量乘上光速的平方,反过来,质量也可以被转化为能量。于是这就给了科学家们启发:相比质量,能量更容易被测量,并且能量是一种离散的量,可以分成“一份一份”。

这里,还要感谢另一个方程,一个甚至比爱因斯坦的质能方程更早出现的方程,那就是著名物理学家马克斯·普朗克在1900年提出的方程E=hv。普朗克指出,在足够小的尺度上,能量不能连续变化,而是呈现“跳跃式”变化——似乎能量是“一份一份”的。E=hv这个公式中,E表示能量,h表示普朗克常量,而v是电磁波的频率。换句话说,根据这个方程,能量可以用某种粒子(比如光子)的频率,再乘上“h”,也就是普朗克常量(值为6.62607015×10^-34 J·s)来进行定义。

显然,由于E不会是分数,“h”又是常量,因此在方程E=hv中,“v”必须是整数,比如1,2,3或者6492等等,不可以出现分数或者小数。只有这样才能保证能量是离散的,是“一份一份”的,每次变化量都是“h”的若干倍数。

而在“千克”的最新定义中,科学家们将这两个伟大的方程结合了起来。这就让科学家们得以使用普朗克常数去定义质量,而前者正是我们所在的宇宙中一个稳定不变的常量。一个由全球各大顶尖实验室的科学家组成的团队对这一常数进行了迄今最精准的测量,其测量误差仅有十亿分之几。根据最新定义,一“千克”等于1.4755214*10^40个具有铯133原子共振频率的光子所具有的能量。

或许你还看得有些云里雾里,没关系,不管怎么说,相比之前必须带着一个金属块到处走,现在的“千克”定义好“携带”多了!

来源:新浪科技  作者:晨风


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