新浪科技訊北京時間5月22日消息，“千克”的概念肯定我們每個人都不會覺得陌生。但是你知道它是怎么定義的嗎？
在過去的大約130年間，國際上對于“千克”定義的標準，都是以國際千克原器“大K”的質(zhì)量來作為原型參照的。所謂“大K”是一個鉑-銥合金圓柱體，被保存在位于巴黎的國際度量衡局（BIPM）總部，這個圓柱體的質(zhì)量就是“千克”的標準定義。但全世界的質(zhì)量衡量指標竟然都要依賴這么一塊金屬來進行，簡直令人匪夷所思。
一直到最近（具體說來是2019年5月20日），這種狀況才出現(xiàn)了改變：“千克”的定義不再是一塊金屬塊了，而變成了某種脫離了實物的，更為抽象的存在——新的“千克”定義是基于無數(shù)的光子以及普朗克常數(shù)，或者說，基于量子物理學(xué)原理來構(gòu)建的。
從某種程度上說，這是一項巨大的，但同時也是異常艱難的進步。在此之前，由于“大K”的質(zhì)量并不穩(wěn)定——原因很難說明，但是由于測量精度極高，哪怕最微小的質(zhì)量變化都會對統(tǒng)一全球質(zhì)量標準造成困擾。而新的“千克”定義將永久性解決這個棘手的問題。甚至，理論上，以后如果發(fā)現(xiàn)了外星人，人類還可以將我們對于“千克”的定義直接發(fā)送給外星人都可以，因為新定義下的“千克”已經(jīng)成為一個真正的常量，可以被到處傳播，而不再需要把一個金屬塊裝在包里背著了。
不過，這樣費盡心機真的值得嗎？畢竟，新的千克定義和舊的定義其實描述的對象是一樣的，就是一千克的概念。換句話說，不要指望“千克”的定義改了，你明天去稱體重就會輕一些，不可能的。事實上，我們普通人的生活根本不會發(fā)生任何變化，受到影響的，恐怕只有某些特定的科學(xué)領(lǐng)域。
事實上，其他基本物理量也經(jīng)歷了類似的歷史。比如：什么是一秒？根據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）提供的資料，一開始科學(xué)家們是用一臺鐘擺的晃動間隔去定義的。這存在誤差可能，且難以校對?，F(xiàn)在，科學(xué)家們對一秒鐘的定義是：銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能階之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9192631770倍的時間。什么是一米？答案是：光在真空中于1/299792458秒內(nèi)行進的距離。
但質(zhì)量的參數(shù)有所不同。我們一般使用“重量”的方式去測量“千克”概念的，比如這樣?xùn)|西放在稱上有多重？這樣的做法有一個嚴重缺陷，那就是它取決于你在什么地方進行這樣的測量。由于不同天體引力大小不同，同樣一塊金屬塊，如果在月球上稱重，那就要比在法國稱重要輕得多。甚至在地球表面不同地點，同一個物體的稱重結(jié)果也會出現(xiàn)輕微差異。
正如NIST所解釋的那樣，新的“千克”定義是基于質(zhì)量和能量之間的基本關(guān)系，這種關(guān)系其實在愛因斯坦著名的“質(zhì)能方程”中就有所體現(xiàn)：E=mc^2。意思是說，能量等于質(zhì)量乘上光速的平方，反過來，質(zhì)量也可以被轉(zhuǎn)化為能量。于是這就給了科學(xué)家們啟發(fā)：相比質(zhì)量，能量更容易被測量，并且能量是一種離散的量，可以分成“一份一份”。
這里，還要感謝另一個方程，一個甚至比愛因斯坦的質(zhì)能方程更早出現(xiàn)的方程，那就是著名物理學(xué)家馬克斯·普朗克在1900年提出的方程E=hv。普朗克指出，在足夠小的尺度上，能量不能連續(xù)變化，而是呈現(xiàn)“跳躍式”變化——似乎能量是“一份一份”的。E=hv這個公式中，E表示能量，h表示普朗克常量，而v是電磁波的頻率。換句話說，根據(jù)這個方程，能量可以用某種粒子（比如光子）的頻率，再乘上“h”，也就是普朗克常量（值為6.62607015×10^-34 J·s）來進行定義。
顯然，由于E不會是分數(shù)，“h”又是常量，因此在方程E=hv中，“v”必須是整數(shù)，比如1，2，3或者6492等等，不可以出現(xiàn)分數(shù)或者小數(shù)。只有這樣才能保證能量是離散的，是“一份一份”的，每次變化量都是“h”的若干倍數(shù)。
而在“千克”的最新定義中，科學(xué)家們將這兩個偉大的方程結(jié)合了起來。這就讓科學(xué)家們得以使用普朗克常數(shù)去定義質(zhì)量，而前者正是我們所在的宇宙中一個穩(wěn)定不變的常量。一個由全球各大頂尖實驗室的科學(xué)家組成的團隊對這一常數(shù)進行了迄今最精準的測量，其測量誤差僅有十億分之幾。根據(jù)最新定義，一“千克”等于1.4755214*10^40個具有銫133原子共振頻率的光子所具有的能量。
或許你還看得有些云里霧里，沒關(guān)系，不管怎么說，相比之前必須帶著一個金屬塊到處走，現(xiàn)在的“千克”定義好“攜帶”多了！
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