基於量子物理：「千克」概念被重新定義

　　美國在1879年複製的「千克」標準「大K」複製品。世界各主要國家都有一塊這樣的複製品，用做本國的質量基準，並需要定時運到巴黎，與「大K」進行質量誤差校對，極為不便

　　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里霧裡，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！（晨風）

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