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有一个全新的千克,它是基于量子物理学的

美国国家公斤,创建于1879年。(萨尔万·乔治/ ... 盖蒂图片)

公斤不再是一回事了。相反,这是一个关于光和能量的抽象概念。

从今天(5月20日)起,物理学家们已经用一个抽象的概念取代了原来的千克——一个130年前的,重2.2磅(1公斤)的铂铱圆柱体,它坐落在法国的一个房间里,基于光量子和普朗克常数(我们宇宙的一个基本特征)的不变测量。

在某种意义上说,这是一个巨大的(令人惊讶的困难)成就。公斤现在永远是固定的。它不能随着时间的推移而改变,因为圆柱体在这里失去一个原子,或者在那里失去一个原子。这意味着人类可以用原始科学的术语将这个质量单位传递给太空外星人。千克现在是一个简单的事实,一个可以在宇宙中任何地方携带的想法,而不必费心带着一个圆柱体。

还有…那又怎样?实际上,新千克的重量,只有几十亿分之几,与旧千克的重量完全相同。如果你昨天的体重是93公斤(204磅),那么你今天和明天的体重是93公斤。只有在少数狭隘的科学应用中,新定义才会产生任何影响。[7夸克的奇怪事实]

真正吸引人的不是,实际上,我们大多数人使用千克的方式会改变。严格定义一个质量单位是多么的困难。

其他的基本力早已被理解为基本现实。一秒钟?曾经,根据国家标准与技术研究所(NIST)的说法,它是根据钟摆的摆动来定义的。但现在科学家们知道,一个铯133原子要经过9192631770个微波辐射周期,需要一秒钟的时间。一米?这是光在1/299792458秒中传播的距离。

,但质量不是这样的。我们通常用重量来衡量千克——这个东西在秤上能压下多少?但这是一种测量 ... ,取决于你在哪里进行实际称重。如果你把这个圆柱体带到月球上,它的重量会小得多,如果你把它带到地球的其他地方,它的重量甚至会多一点或少一点。

正如NIST解释的那样,新的千克是基于质量和能量之间的基本关系——爱因斯坦的E=mc^2中部分阐明了这种关系,也就是说能量等于质量乘以光速的平方。质量可以转化为能量,反之亦然。而且,与质量相比,能量更容易用离散的术语来测量和定义。

这要归功于另一个方程,甚至比E=mc^2还要古老。据NIST称,物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)在1900年指出E=hv。他表明,在足够小的范围内,能量可以上下移动,而且只能以步为单位。E=h v意味着能量等于“v”-某些粒子的频率,如光子-乘以“h”-数字6.62607015×10^minus34也称为普朗克常数。

“v”在E=hv中必须始终是一个整数,如1、2、3或6492。不允许分数或小数。因此,能量本质上是离散的,以“h”(6.62607015×10^minus34)的步幅上下移动。

新的千克把E=mc^2和E=hv放在一起。这使得科学家能够用普朗克常数来定义质量,普朗克常数是宇宙不变的特征。一个由科学实验室组成的国际联盟聚集在一起,对普朗克常数进行了迄今为止最精确的测量,确定在十亿分之几以内。新千克的质量相当于1.4755214乘以10^40个光子的能量,这些光子的振荡频率与原子钟中使用的铯133原子的振荡频率相同。

在一定的尺度上不是最容易的。但是,作为一个想法,它比一个铂铱合金圆柱体便携得多。

是物理学中18个最大的未解之谜是吗?你的物理问题解答在世界顶尖的物理实验室

里,最初发表在《生命科学》杂志上

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