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千克被重新定义了,你的体重
发生变化了吗?

onevol    原创 2018-11-29 54 互联网 手机数码

前几天,科学界发生了一件大事,这个距离大众群体稍远的领域悄悄地改变了几个我们日常使用的一些标准。

千克被重新定义了,你的体重发生变化了吗?


第26届国际计量大会决议,将千克、安培等4个国际单位制分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e等基本物理常数来定义。并于2019年国际计量日(5月20日)起正式生效。届时,国际单位制7个基本单位将全部由基本物理常数定义,量值的实现进入了量子化时代。

为什么要修改这些基本单位的定义?以后1千克还是1千克吗?买菜的时候是多了还是少了?到底多重才是标准的1千克?

相信会有不少人带有这样的疑问。首先要确定的是,1千克还是原来1千克的质量,对日常生活完全没有影响,你该称100千克,还是100千克,买1千克菜,还是1千克菜,一片叶子都不会少。那么哪里变了呢?(这里其实不严谨,我们平时所称的体重是重量而非质量。天平测质量,弹簧秤测重量。)

这就要追溯到1889年的国际度量衡大会,当时决定用大K(Le Grand K)来定义千克。这个“大K”是一个铂-铱合金的圆柱体,它的质量就是标标准准的1千克,被密封在三个嵌套的玻璃钟形罩内。

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然而即便是本身具备超强的抗氧化、耐腐蚀特性和外面的三重保护,在一百年的时间里,这块国际千克原器的质量还是受到了一些影响。具体表现在:其他千克原器与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。差不多相当于一粒沙子的质量,虽然听起来微乎其微,但这表明质量单位的实物基准的稳定性存在偏差,尤其是对一些高精尖产业来讲影响却很大。 (如果你非要说这次定义会有什么影响的话,就是你现在的质量“悄悄地发生”了50微克的变化)

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因为除了保存在法国巴黎的国际千克原器之外,还会有部分官方复制品被送往世界各国,作为千克原器使用。而这些复制品每隔一段时间就要被送回法国与国际千克原器进行比较,以修正因损耗带来的误差,来统一标准的1千克质量。所以国际千克原器一旦出现偏差,带来的影响是非常巨大的。

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所以这次的国际计量大会将“千克”定义为:对应普朗克常数为6.62607015×10^-34J·s时的质量单位。也就是在1秒和1米的情况下,1千克就是普朗克常数h乘上10^34/6.62607015秒每平方米所得的质量。

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自此,7个国际基本单位都是用自然常数来定义了。比如长度单位米,其定义为光在真空中于1⁄299792458秒内行进的距离;时间单位秒,定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。赶紧把这句话记下来,以后装13能用上。这句话的大致意思为一个铯-133原子震动9192631770次所用的时间,也就是1秒钟的定义。

为什么要用普朗克常数来定以1千克?

这里就要说说主要原理,将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力,再通过质能转换公式算出质量。对于这其中的普朗克常数(h)我们只需要知道它是量子力学中用来计算光子能量的一个常数,目前最精确的数值是6.62607015×10^-34J·s,单位是J.s (焦耳*秒)。

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可以看到,普朗克常数的单位是焦耳每秒。而焦耳本身则是一个导出单位,它的定义是1牛顿的力使物体在力作用的方向上移动1米时所做的功。而1牛顿力的定义是使1kg的物体有1m/s²的加速度。因此,1焦耳也可以写成kg⋅m^2⋅s^−2,于是普朗克常数的单位也就可以写成kg⋅m^2⋅s^−1。至此,普朗克常数便同kg这一基本单位发生了关联,也就可以根据它来精确定义千克。

那么问题来了,各国计量局该如何准确测量新定义的1千克?

这时候就要用到一个叫基布尔秤的仪器,它是一种通过电流和电压的强度精确测量测试对象重量的仪器。也就是说基布尔秤可以将对质量的测量等效为对电磁力的测量,而这个电磁力又可以同普朗克常数关联起来。

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总而言之,国际单位制的7个基本单位被自然常数重新定义以后,量子基准将取代实物基准,基本单位的精确度将会达到前所未有的高度,并且不需要实体就可实现独立复制,不再依赖于国际计量局。换句话说,这次修订后的“千克”,以自然常数的确定性,不仅适用于地球,还适用于整个宇宙。