基於量子物理,「千克」概念被重新定義 - 常量,方程,能量,普朗克...

2021-01-10 IT之家

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。但是你知道它是怎麼定義的嗎？

在過去的大約130年間，國際上對於「千克」定義的標準，都是以國際千克原器「大K」的質量來作為原型參照的。所謂「大K」是一個鉑-銥合金圓柱體，被保存在位於巴黎的國際度量衡局（BIPM）總部，這個圓柱體的質量就是「千克」的標準定義。但全世界的質量衡量指標竟然都要依賴這麼一塊金屬來進行，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」定義是基於無數的光子以及普朗克常數，或者說，基於量子物理學原理來構建的。

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，由於「大K」的質量並不穩定——原因很難說明，但是由於測量精度極高，哪怕最微小的質量變化都會對統一全球質量標準造成困擾。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，以後如果發現了外星人，人類還可以將我們對於「千克」的定義直接發送給外星人都可以，因為新定義下的「千克」已經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裡背著了。

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生任何變化，受到影響的，恐怕只有某些特定的科學領域。

事實上，其他基本物理量也經歷了類似的歷史。比如：什麼是一秒？根據美國國家標準與技術研究院（NIST）提供的資料，一開始科學家們是用一台鐘擺的晃動間隔去定義的。這存在誤差可能，且難以校對。現在，科學家們對一秒鐘的定義是：銫-133原子基態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。什麼是一米？答案是：光在真空中於1/299792458秒內行進的距離。

但質量的參數有所不同。我們一般使用「重量」的方式去測量「千克」概念的，比如這樣東西放在稱上有多重？這樣的做法有一個嚴重缺陷，那就是它取決於你在什麼地方進行這樣的測量。由於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果也會出現輕微差異。

正如NIST所解釋的那樣，新的「千克」定義是基於質量和能量之間的基本關係，這種關係其實在愛因斯坦著名的「質能方程」中就有所體現：E=mc^2。意思是說，能量等於質量乘上光速的平方，反過來，質量也可以被轉化為能量。於是這就給了科學家們啟發：相比質量，能量更容易被測量，並且能量是一種離散的量，可以分成「一份一份」。

這裡，還要感謝另一個方程，一個甚至比愛因斯坦的質能方程更早出現的方程，那就是著名物理學家馬克斯·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，能量不能連續變化，而是呈現「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，由於E不會是分數，「h」又是常量，因此在方程E=hv中，「v」必須是整數，比如1，2，3或者6492等等，不可以出現分數或者小數。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。

而在「千克」的最新定義中，科學家們將這兩個偉大的方程結合了起來。這就讓科學家們得以使用普朗克常數去定義質量，而前者正是我們所在的宇宙中一個穩定不變的常量。一個由全球各大頂尖實驗室的科學家組成的團隊對這一常數進行了迄今最精準的測量，其測量誤差僅有十億分之幾。根據最新定義，一「千克」等於1.4755214*10^40個具有銫133原子共振頻率的光子所具有的能量。

或許你還看得有些雲裡霧裡，沒關係，不管怎麼說，相比之前必須帶著一個金屬塊到處走，現在的「千克」定義好「攜帶」多了！

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    來重新定義千克，該數字是聯繫無線電波的能量與其頻率的常數。同樣地，對於千克，以及安培、開爾文和摩爾的更準確定義也可能為其他技術突破鋪平道路。多年來，人們重新定義千克的努力均未取得令人滿意的進展。直到1975年，英國國家物理實驗室的物理學家Bryan Kibble發明了一種裝置（在他去世後被命名為Kibble天平），該裝置能夠以極高的精度以重力的形式測量電流值（圖2）。
  • 前沿熱點丨重新定義「千克」
    圖片來源：BIMP2018年11月，來自60個國家的科學家們一致投票決定，從2019年5月20日開始，科學家們將根據普朗克常量來重新定義千克，該數字是聯繫無線電波的能量與其頻率的常數。自此，國際單位制（International System of Units，SI）中的所有7個基本單位均將根據自然常數而非具體的物理對象進行定義。人們嘗試創建標準化測量系統的歷史可追溯到5000多年前，那時人們往往選擇諸如手臂長度或種子重量等常見概念作為基準。但由於各地之間缺乏一致性，這種測量系統也常常給人們帶來困擾。
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    作為唯一實物基準的國際千克原器的穩定性受到科學家們的質疑，科學家們開始致力於質量單位的重新定義。有科學家提出，可以使用自然界中的基本物理常數來重新定義質量單位。因為這些物理常數的定義不會改變，用它們來定義包括千克在內的基本單位，就再也不用擔心隨時間推移會影響單位的量值了。
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    11月16日，第26屆國際度量衡大會經過60個成員國代表的投票表決，重新定義了千克，新定義以普朗克常數為基準，有一百多年歷史的國際千克原器「大K」即將退出舞臺。安培、開爾文和摩爾的定義也被更新，這是國際單位制於 1960 年正式公布以來最大的一次調整。
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    「千克」的概念肯定我們每個人都不會覺得陌生。但是你知道它是怎麼定義的嗎？　在過去的大約130年間，國際上對於「千克」定義的標準，都是以國際千克原器「大K」的質量來作為原型參照的。所謂「大K」是一個鉑-銥合金圓柱體，被保存在位於巴黎的國際度量衡局（BIPM）總部，這個圓柱體的質量就是「千克」的標準定義。
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  • 「千克」重新定義 不影響日常生活
    ……　　這些是坊間有關「千克」重新定義的種種疑惑。　　近日，美國標準科學研究院(NIST)公布普朗克常數最精確測量值，並提交國際科學數據委員會(CODATA)，明年國際度量衡委員會將以普朗克常數為基準對質量單位「千克」進行重新定義。　　消息發出後，因生活中稱重無處不在，讀者們在評論區對此展開了熱烈的討論。質量單位為什麼要重新定義？
  • 1千克有多重?它就要重新定義了
    11月16日，四年一度的第26屆國際計量大會將在巴黎凡爾賽宮舉行，屆時，數百名科學家將以精確穩定的物理常數重新定義"千克"。：從實物到基本物理常量千克最初的定義是4 ℃時一立方分米水的質量，這是1799年由法國科學家提出來的，並以這個標準製作了純鉑的千克原器作為1千克的國際標準。
  • 從今天開始 千克被重新定義 千克不再是我們熟悉的那個千克
    現在，科學家將通過Kibble天平來測量千克。它是一臺基於普朗克常數理論的儀器，該儀器跟蹤電流的微小變化，以計算作用在質量(重量的兩個組成部分)上的重力。>Kibble天平將給科學家提供迄今為止最精確的普朗克常數測量，從而重新定義千克。
  • 「千克」被重新定義 物理教材將修訂
    按照第26屆國際計量大會1號決議，千克、安培、開爾文、摩爾將分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、波爾茲曼常數k和阿伏伽德羅常數NA定義。從理論上說，這些基本物理常數的準確數值，與測量地點、測量時間及所用的測量儀器及材料均無關聯，是恆定不變的量。
  • 物理學最基本單位「千克」重新定義
    曾經的千克「掌門人」129年的輝煌霸氣，終被定格在了2018年11月16日。隨著第26屆國際計量大會的表決，基於普朗克常數的千克定義將寫進計量發展的歷史。用一個科學公式取代一個物理模型，來完成「千克換千克」的更新換代，其進步性體現在哪些地方呢？
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    去年11月在凡爾賽舉行的第26屆重量與測量大會上，來自57個國家的科學家投票決定改變千克的定義。新的定義將基於一個被稱為普朗克常數的自然基本常數的值，而當它在5月份生效時，IPK將面臨像冥王星一樣的降級。
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    量子力學新思考（3）—普朗克常量與角動量司今（jiewaimuyu）1900年普朗克在研究物體熱輻射規律時發現，只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的，即是一份一份地進行的，則其計算結果才能與試驗結果是相符；每份能量子ε=hγ，γ為輻射電磁波的頻率，h為一常量，稱為普朗克常數。
  • 剛剛「千克」被重新定義!大K從此成為歷史
    在此之前，千克是目前唯一仍然使用實物進行定義的單位。自1889年以來，全世界的千克定義基準都是保存在巴黎秘密地下室內的一個鉑-銥合金圓柱體。但千克之源本身的質量正在變小，這促使國際度量衡大會於2011年決定將千克和量子力學常數掛鈎，進行重新定義。重新定義千克的過程，涉及自然科學界最為複雜困難的測量。
  • 從普朗克到普朗克
    1900年，普朗克發表黑體輻射公式，假設能量只能以離散的「量子」形式釋放，標誌了量子物理學的開端。為了表彰普朗克對這一新的物理領域的奠基性貢獻，他被授予1918年諾貝爾物理學獎。在對黑體輻射問題的研究中，普朗克引入了一個關鍵的數值。
  • 從普朗克到普朗克
    1900年，普朗克發表黑體輻射公式，假設能量只能以離散的「量子」形式釋放，標誌了量子物理學的開端。為了表彰普朗克對這一新的物理領域的奠基性貢獻，他被授予1918年諾貝爾物理學獎。從玻爾的原子模型，到海森堡的不確定性原理，從架起波粒二象性的橋梁，到精準定量「千克」單位，現在，普朗克常量已經成為量子力學，甚至物理學中最重要的數值之一。由普朗克常量進一步發展出的一系列物理量，也成了指引科學家探索極限的路標。
  • 千克的定義變了 新定義2019年5月20日開始生效
    因此，「千克」這個國際通用的重量單位，需要由一個穩定的量來定義。普朗克常數是現代物理學中的常數之一。左三為普朗克，左二為愛因斯坦，圖片來自：維基百科物理學家普朗克在研究輻射能量的時候，推導出公式 ：E=hν，其中E是能量，v是輻射的頻率，h則是一個常數，最後這個常數被名為普朗克常量（Planck constant）。