基于量子物理：“千克”概念被重新定义

1879年美国复制的“公斤”标准“大K”复制品。世界上每个主要国家都有一个这样的副本，作为自己的质量标准，需要定期运到巴黎，用“大k”进行质量纠错，非常不方便。

“千克”的概念对我们大家来说当然并不陌生。但是你知道它是如何定义的吗？

在过去130年左右的时间里，“千克”定义的国际标准以国际千克“大k”的质量为原型参照。所谓的“大K”是一个铂铱合金圆筒，它保存在巴黎国际计量局(BIPM)总部。这个圆柱体的质量是“千克”的标准定义。然而，令人难以想象的是，世界质量指标竟然依赖于这样一块金属。

直到最近(具体地说，2019年5月20日)，这种情况才发生了变化:“千克”的定义不再是一块金属，而是一种与真实事物分离的更抽象的存在——“千克”的新定义是基于无数光子和普朗克常数，或者基于量子物理的原理。

在某种程度上，这是一个巨大但极其困难的进步。在此之前，因为“大k”的质量不稳定——原因很难解释，但因为极高的测量精度，即使是最微小的质量变化都会给全球质量标准的统一带来麻烦。“千克”的新定义将永久解决这个棘手的问题。甚至在理论上，如果将来发现外星人，人类也可以把我们对“千克”的定义直接发送给外星人，因为新定义的“千克”已经变成了一个真正的常数，可以在任何地方传播，而不必在包里放一个金属块。

然而，这真的值得吗？毕竟，千克的新定义和旧定义实际上描述的是同一个物体，即一千克的概念。换句话说，不要期望“千克”的定义会改变，你明天会变轻，这是不可能的。事实上，普通人的生活根本不会改变。恐怕只有一些特定的科学领域会受到影响。

事实上，其他基本物理量也经历了类似的历史。例如:什么是秒？根据国家标准和技术研究所(NIST)提供的数据，科学家最初是通过钟摆的振动间隔来定义它的。这有出错的可能，而且很难校对。现在，科学家将1秒定义为铯-133原子基态在两个超精细能级之间跃迁时电磁波辐射周期的9192631770倍。一米是多少？答案是:光在真空中传播的距离是1/299792458秒。

但是质量参数不同。我们通常用“重量”的方法来衡量“千克”的概念。例如，这种东西在秤上有多重？这种方法有一个严重的缺陷，那就是，它取决于你在哪里进行这样的测量。因为不同天体的重力不同，同一块金属如果在月球上称重，就远不如在法国重要。即使在地球表面的不同位置，同一物体的称重结果也会略有不同。

正如NIST解释的那样，“千克”的新定义是基于质量和能量之间的基本关系，这实际上反映在爱因斯坦著名的“质量-能量方程”中:e = MC 2。这意味着能量等于质量乘以光速的平方。反过来，质量也可以转化为能量。因此，它启发了科学家，能量比质量更容易测量，能量是一个离散的量，可以分成“部分”。

在此，我还要感谢另一个方程，一个比爱因斯坦的质量能量方程更早出现的方程，即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，在一个足够小的范围内，能量不能连续变化，而是呈现“跳跃”变化——似乎能量是“一个接一个”的。在公式中，E=hv，E代表能量，h代表普朗克常数，v是电磁波的频率。换句话说，根据这个等式，能量可以通过将粒子(例如光子)的频率乘以“h”来定义，即普朗克常数(值6.62607015×10^-34 j . s . s)。

显然，由于E不是分数，并且“h”也是常数，在等式E=hv中，“v”必须是整数，如1、2、3或6492等。不允许分数或小数。只有这样，我们才能确保能量是离散的，“一个接一个”。每个变化都是“H”的倍数。

在“千克”的最新定义中，科学家将这两个伟大的方程结合在一起。这使得科学家可以用普朗克常数来定义质量，普朗克常数是我们宇宙中的常数。来自世界领先实验室的一组科学家迄今为止对这一常数进行了最精确的测量，测量误差仅为十亿分之几。根据最新的定义，“千克”等于1.4755214×1040个光子的能量，铯原子共振频率为133。

也许你还是看到一些雾，没关系，反正与以前相比，你得到处带一块金属，现在“公斤”的定义比“携带”好得多！(晨风)