“一米”竟然與光速有關？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”這些我們耳熟能詳?shù)闹V語，都包含了丈量長度的單位。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，一個偌大的國家怎能沒有一個統(tǒng)一的度量標準。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”的標準又是誰制定的呢？

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

定義有了，接下來便是實際測量工作。1792年，約瑟夫·德朗布和安德烈·梅尚兩位科學家率領考察團隊，攜帶測量儀器，從巴黎出發(fā)，長途跋涉測量地球上這一段經(jīng)線。七年后，只剩他倆堅持到最后，完成了這項使命。法國政府根據(jù)他們所測得的珍貴數(shù)據(jù)，用鉑金制成了——米原器。1889年的第一屆國際計量大會確定“米原器”為國際長度基準。

可是，金屬都會熱脹冷縮，還可能會有污損。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年國際度量衡大會重新制定米的定義，光在真空中行進299792458分之一秒的距離為“一標準米”。光速在宇宙中是一個精確的常數(shù)，乃至基本法則，用它來定義“米”真可謂妙至毫巔！

長度的單位“米”有了定義后，1795年，法國當局又對質量的單位“克”作出了定義，“容量相等于邊長為百分之一米的立方體的水于冰熔溫度時的絕對重量”。而在實際生活中，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量。

1889年，國際計量大會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，為保證準確性，還復制了六個一模一樣的驗證復制品。原器與六個復制品放置在真空罐中，被保存在巴黎郊區(qū)的總部下層的儲藏室內，恒溫、恒壓、恒濕，被重重保護起來，僅是開啟的鑰匙就需要三把。人們還制作了幾十個工作復制品，提供給各個國家，以便他們準確定義“千克”。

千克原器被“養(yǎng)在深閨”，享受著極高的待遇，在一個多世紀的漫長歲月里，它只在1946年和1992年被取出過。原器被取出后，與六個驗證復制品進行校準實驗，人們吃驚地發(fā)現(xiàn)，原器竟然比驗證復制品輕了50微克，亦或者驗證復制品重了50微克呢。小小的幾十微克可謂是關系重大，因為國際單位中有許多都是以千克為基礎來定義的。比如，力的單位牛（N），即使1千克物質有 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“準確”定義直到2019年5月20日才正式完成、生效?？茖W家是怎么嚴格定義千克的呢？

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

在實際對“千克”的定義實驗中，我們需要用到瓦特天平。美國國家標準技術研究所中，就矗立著這樣一臺占地近兩層樓房的巨大設備。數(shù)不清的復雜線圈、精細零件，液氮低溫下的超導密封環(huán)，幾代科學家的不懈努力……這一切都只為保證質量的單位——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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