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螃蟹空包:1公斤有多重是谁规定的?

更新时间:2019/5/22 / 阅读次数:146

  螃蟹空包 :认识长度和重量是小伴侣数学启蒙的一个重要内容,但是当你跟娃说,你看这块肉啊,你拎一下啊,这么重即是1公斤,他一定会给你发出灵魂拷问:为什么啊!?


  面对这种灵魂拷问,很多人给出的答案可能都很简单粗暴——因为这个都是人们规定好的呀,人们规定这么重是1公斤它即是1公斤咯!


  这个答案当然也不能算错,因为1公斤是多重,当然是由人来规定的,但问题是,这个1公斤到底是多重是怎么规定的呢?或者换个问法:我怎么知道1公斤到底是多重呢?


  有人说,用秤称一下不就好了吗?唔,那你凭什么相信这个秤是准确的呢?或者换个问法:生产秤的厂家,用什么东西来做标准才能知道自己的秤是准确的呢?


  昨天是个好日子,大家大概都忙着表白了,有一则新闻不知道大家有没有看到,即是新的国际基本单位定义于5月20日正式启用了:


  这则新闻里面提到,包括千克在内的4个基本单位有了新的定义,这到底是怎么回事?借这个机会,我觉得正好回答一下娃的灵魂拷问:1公斤到底是多重呢?


  1公斤,其实按标准说法应该叫1千克,它最开始的定义即是1立方分米的水的重量。但是,水这个东西吧,它的密度是会随着温度改变的,密度一改变,同样体积的水的重量也就改变了,这变来变去的怎么能行呢?于是,1795年,法国第一次在法律中规定,1千克即是1立方分米的水在0度时的重量。


  后来人们又发现,0度这个点并不是很稳定,因为0度是水的冰点,水一结冰,测出来的体积又不准了,这也不能行啊。后来科学家发现,4度的时候,水的密度是最大的,也即是说,这是一个水的密度最稳定的温度点。于是,1799年,法国又把这个定义给改了,改成了4度时1立方分米的水的重量。


  尽管人们对千克这个单位有了一个定义,但是这个重量总得有个实物的标准来方便对照,毕竟不能每次都灌一桶水是吧?于是,还是在1799年,随着新定义的发布,科学家对“4度时1立方分米的水的重量”进行了精密的(只能说是在当时的条件下最精密的吧)测定,并用纯铂铸造了一个同样重量的金属块,这即是最早的“千克原器”。有了千克原器,辣么千克的定义就变成了这个金属块的重量。不管你生产秤也好,还是制定什么其余的标准也好,都要按照这个金属块的重量为标准来进行。


  到这个时候为止,所有这些事情还都是法国人在搞,但到了十九世纪,度量衡就逐渐变成了一个国际问题。法国在这件事上已经有了标准,那当然希望大家都按照他们的标准来搞。于是,法国就出钱赞助开了一系列国际会议,请各个国家的代表都来吃吃喝喝玩玩,最后签了一份协议,说我们以后再度量衡这块都用我们法国的标准吧,这套标准其实也即是我们今天所熟悉的以米、千克为代表的“公制单位”。


  有了千克原器,是不是问题就办理了呢?太天真了。这个千克原器,如果每次都要拿出来做标准来比,那是不是很容易坏呢?坏不坏先不说,这拿来拿去的,沾了一粒灰上去,重量不就变了吗?就算不沾灰,金属也是会热胀冷缩的,还会氧化腐蚀,如果原器的重量一变,那岂不是全世界的秤都得跟着变呢?感觉我的体重都不准了呢。


  为打听决这个问题,人们想了这么个办法。我可以造一些这个千克原器的复制品,平常用的时候,都跟这个复制品去比,然后没过几年再把这些复制品跟正品最近校准一下,这样不就行了么?而且,人们还发现,用90%的铂和10%的铱制成的合金,比纯铂更稳定,也更耐氧化和腐蚀,于是人们就用铂铱合金重新造了一个千克原器,替代了原来法国的那个,这个新的千克原器就叫做“国际千克原器”,当然了,它还是放在法国保管,一直到现在。同时,人们也用同样的铂铱合金造了一些复制品,这些复制品即是平时代替千克原器拿出来用来作为标准使用的。


  国际千克原器长什么样呢?它是一个直径和高度均为39.17mm的圆柱体,其实即是很小的一块像砝码一样的东西。为了最大限度地保持稳定,这块东西被加了三层玻璃罩子,里面抽了真空,然后再放进法国巴黎国际计量局地下室的保险箱里。不仅云云,这块东西40年才会被拿出来一次,进行清洗和测量,到现在为止也就被拿出来过3次。


  即便云云,100多年过去了,这个原器和其余复制品之间的重量差距也开始越来越大,误差已经到达了几十微克。问题是,没人知道到底是复制品不准了呢,还是这个原器本身也不准了——这个问题是无解的。


  可能你会说,几十微克才辣么一点点,好像也没什么关系嘛?没错,对我们的日常生活来说,确实没什么关系,但是几十微克已经相当于几亿亿个原子的重量了,对于精密测量来说,这个误差简直是十万八千里了。


  更重要的是,千克不止是一个质量单位这么简单,很多其余的单位也都是在千克的基础上定义的。好比说我们都知道力的单位是牛顿,而1牛顿的定义是让1千克的物体产生1m/s²的加速度所需要的力——你看,这里面还是出现了千克。


  不仅云云,很多其余的单位还是用牛顿来定义的。好比能量的单位焦耳,1焦耳是1牛顿的力使物体挪动1米所做的功,而功率的单位瓦特则是代表单位时间所做的功,这个连锁反应最终又传递到了电磁学的几乎所有单位,而电磁学又跟光学密不可分,结果光学的单位也都跟千克有关系——这就好像一叠多米诺骨牌,推到了一张,其余的就全都要倒下去。


  这可怎么办呢?我们知道,二十世纪是量子力学的世纪,现在连小宝宝都要学量子力学了,好比说小扎的这张很著名的照片:


  所谓量子,说的即是能量其实不是连续的,而是一份一份的,最小的那个一份能量就叫做一个量子,这一份能量的大小,我们可以用普朗克常数(h)来形貌。量子力学的好处是放之四海而皆准,也即是说,量子力学的研究对象是最基本的粒子和能量,它基本上形貌了宇宙的基本法则,所以在我们这个宇宙中,量子力学里的基本常数在任何时候都是不变的,当然,普朗克常数也不例外。


  普朗克常数是这样定义的:


  我们发现普朗克常数的量纲(单位)是千克、米和秒,其中米和秒是已经行使量子力学原理定义过了的,具体是:


  1秒等于铯133原子基态超精细能级分裂9,192,631,770次所需要的时间


  1米等于光在299,792,458分之1秒中所传播的距离


  辣么行使上面两个定义,再加上普朗克常数,我们就可以得到千克的定义啦。这个定义是纯粹基于量子力学常数的,跟任何实物都没有关系,因此,那个国际千克原器也就可以在新定义见效的那一天——也即是2019年5月20日——正式扔到废品桶里去啦!


  额,当然了,不会真的扔到废品桶里去,毕竟是个百年文物呢,总得留作纪念大,所以它依然还会放在原来那个地下保险箱里,只是再也不会拿出来用了而已。


  2019年5月20日是一个具有重大意义的日子,因为从这一天开始,所有的基本国际单位的定义全部都变成了基于物理常数的定义,这让我们的国际单位变得更稳定了——当然了,对于普通人来说,这个改变似乎并不会带来什么影响即是了——好比说,你的体重也不会因此就变了,哈哈。


  最后我们来看一下新的国际单位系统:


  时间:秒(s)


  根据铯133原子基态超精细能级分裂频率(Δν)定义


  长度:米(m)


  根据光速(c)和秒定义


  质量:千克(kg)


  根据普朗克常数(h)、秒和米定义


  物质的量:摩尔(mol)


  根据阿伏伽德罗常数(NA)定义


  电流:安培(A)


  根据基本电荷(e)和秒定义


  温度:开尔文(K)


  根据玻尔兹曼常数(k)、米、秒和千克定义


  光强:坎德拉(cd)


  根据坎德拉常数(Kcd)、米、秒和千克定义


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