“一米”竟然與光速有關(guān)？千克的定義離不開普朗克和愛因斯坦？

“魔高一尺，道高一丈”，“尺有所短，寸有所長(zhǎng)”這些我們耳熟能詳?shù)闹V語，都包含了丈量長(zhǎng)度的單位。一丈等于十尺，一尺又等于十寸。兩千多年前，秦始皇率領(lǐng)秦國通過艱苦的征戰(zhàn)統(tǒng)一六國后，便立即著手統(tǒng)一混亂的度量衡，一個(gè)偌大的國家怎能沒有一個(gè)統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)。如今我們知道，一丈約等于3.33米，一尺約等于0.333米，一寸約等于0.033米。那國際上通用的“米”的標(biāo)準(zhǔn)又是誰制定的呢？

故事還得從法國大革命說起，1789年，法國資產(chǎn)階級(jí)取得革命勝利后，便著手制定全國統(tǒng)一的計(jì)量單位，法國科學(xué)院最后研究決定設(shè)立“米”這個(gè)長(zhǎng)度單位。“1米”被定義為通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點(diǎn)的距離的千萬分之一。

定義有了，接下來便是實(shí)際測(cè)量工作。1792年，約瑟夫·德朗布和安德烈·梅尚兩位科學(xué)家率領(lǐng)考察團(tuán)隊(duì)，攜帶測(cè)量?jī)x器，從巴黎出發(fā)，長(zhǎng)途跋涉測(cè)量地球上這一段經(jīng)線。七年后，只剩他倆堅(jiān)持到最后，完成了這項(xiàng)使命。法國政府根據(jù)他們所測(cè)得的珍貴數(shù)據(jù)，用鉑金制成了——米原器。1889年的第一屆國際計(jì)量大會(huì)確定“米原器”為國際長(zhǎng)度基準(zhǔn)。

可是，金屬都會(huì)熱脹冷縮，還可能會(huì)有污損。這就影響到“一米”的精確性?，F(xiàn)在，我們用光子來定義一米的距離。1983年國際度量衡大會(huì)重新制定米的定義，光在真空中行進(jìn)299792458分之一秒的距離為“一標(biāo)準(zhǔn)米”。光速在宇宙中是一個(gè)精確的常數(shù)，乃至基本法則，用它來定義“米”真可謂妙至毫巔！

長(zhǎng)度的單位“米”有了定義后，1795年，法國當(dāng)局又對(duì)質(zhì)量的單位“克”作出了定義，“容量相等于邊長(zhǎng)為百分之一米的立方體的水于冰熔溫度時(shí)的絕對(duì)重量”。而在實(shí)際生活中，人們更傾向于使用“一千克”。1799年，法國制作了一塊純白金的原器件，后被正式定為“檔案局千克”，一千克的定義就相等于其質(zhì)量。

1889年，國際計(jì)量大會(huì)正式確定重鑄的鉑銥合金圓柱體，為國際千克原器（IPK）。與此同時(shí)，為保證準(zhǔn)確性，還復(fù)制了六個(gè)一模一樣的驗(yàn)證復(fù)制品。原器與六個(gè)復(fù)制品放置在真空罐中，被保存在巴黎郊區(qū)的總部下層的儲(chǔ)藏室內(nèi)，恒溫、恒壓、恒濕，被重重保護(hù)起來，僅是開啟的鑰匙就需要三把。人們還制作了幾十個(gè)工作復(fù)制品，提供給各個(gè)國家，以便他們準(zhǔn)確定義“千克”。

千克原器被“養(yǎng)在深閨”，享受著極高的待遇，在一個(gè)多世紀(jì)的漫長(zhǎng)歲月里，它只在1946年和1992年被取出過。原器被取出后，與六個(gè)驗(yàn)證復(fù)制品進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，人們吃驚地發(fā)現(xiàn)，原器竟然比驗(yàn)證復(fù)制品輕了50微克，亦或者驗(yàn)證復(fù)制品重了50微克呢。小小的幾十微克可謂是關(guān)系重大，因?yàn)閲H單位中有許多都是以千克為基礎(chǔ)來定義的。比如，力的單位牛（N），即使1千克物質(zhì)有 1m/s^2的加速度的力。

我們能不能像定義“米”那樣，用自然界穩(wěn)定的常數(shù)作為參考。難，非常之難！相比于其他基本單位米、秒、安培等，千克的“準(zhǔn)確”定義直到2019年5月20日才正式完成、生效?？茖W(xué)家是怎么嚴(yán)格定義千克的呢？

這里就要用到普朗克常數(shù)(h)，用以描述量子大小。普朗克被譽(yù)為量子力學(xué)之父，他有一個(gè)著名的能量公式E=hv。而在20世紀(jì)有一位與他比肩的科學(xué)家愛因斯坦，愛因斯坦提出過著名的質(zhì)能方程E=mc^2。通過兩個(gè)公式我們很容易得到hv=mc^2，即m=hv/c^2。這樣就巧妙地把質(zhì)量與普朗克常數(shù)關(guān)聯(lián)起來了。其原理是將移動(dòng)質(zhì)量1千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。

在實(shí)際對(duì)“千克”的定義實(shí)驗(yàn)中，我們需要用到瓦特天平。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所中，就矗立著這樣一臺(tái)占地近兩層樓房的巨大設(shè)備。數(shù)不清的復(fù)雜線圈、精細(xì)零件，液氮低溫下的超導(dǎo)密封環(huán)，幾代科學(xué)家的不懈努力……這一切都只為保證質(zhì)量的單位——千克分毫不差。

畢竟，無論古今中外，差之毫厘謬以千里。

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