Geek不在乎谁爱是,520明明是度量一切的世界计量日!
2016/5/20 果壳网

     5月20日,世界计量日。

     1875年的今天,17个国家的代表签署了《米制公约》,国际单位制正式确立。当时的一米被定义为北极点到赤道,沿穿过巴黎的子午线距离的千万分之一;大约一百年后,“一米”成了一块特定的铂铱合金棒的长度;而现在的一米,是光在真空中行进299792458分之1秒的距离。

     如果这还不能让你意识到计量多重要,那么这么说会比较明白:

     “在米制单位里,1毫升水体积是1立方厘米,重量是1克,需要1卡路里来加热1摄氏度——这是从冰点到沸点的1%。……而在美制单位里,‘把一加仑水从室温煮到沸点要多少能量’这个问题的答案只能是,‘去你大爷的’。”

     再比如,我不知道“我爱你”节是怎么折腾出来的,但我知道你的体重是怎么定下来的。

     这件事,“大K”负责。

     国际千克原器

     美国国家标准与技术研究院有位物理学家曾经说过:“如果有人打了个喷嚏,喷到了千克基准器上,那么世界上所有的质量就会立刻全错掉。”

     他说的这东西是个圆柱,有时候被称作“大K”(Le Grand K)。它被安置在巴黎的一个地下室里,被人们像无价之宝一样对待。这个世界上任何测量到的质量——从你,你买的菜,到太阳系外的行星乃至星系,都要追溯到这个已经126岁的铂铱合金圆柱体:国际千克原器。科学和工程各个领域的所有研究人员都必须相信一件事,那就是他们所依据的参考点和任何一位科学家工程师都是相同的。没有这个圆柱体,就没有参照。

    

    像俄罗斯套娃一样罩在层层保护罩中的国际千克原器。图片来源:Japs 88/Wikicommons

     国际千克原器是所有千克的标准,科学家们不惜一切代价避免把它暴露在肮脏的空气和手掌之下——尤其要避免有人对着它打喷嚏。

     自国际千克原器问世以来,每过上几十年,科学家们都要把它从保护罩里取出来,用清洁溶剂对它进行清洁,用蒸汽把它洗干净,并且仔细地检查它的重量。科学家们要验证的是,保存在同一个地下室里的六个官方复制品质量仍然完全相同

     自1889年以来,国际千克原器已经经历了三次校对,大约隔四十年一次。1992年,灾难降临了:科学家们在比较第二次和第三次测量的结果时发现,要么是原件丢失了五十微克(相当于一粒沙子)的质量,要么就是复制品增加了这些质量。尽管差距很微小,这些测量结果也足以说明出“千克并不稳定”,彼得?莫尔(Peter Mohr)说。他是一位致力于重新定义度量基本单位的物理学家。

    

     因此,许多科学家认为,把一个圆柱体放得如此重要,简直是耻辱;更别提它还有可能给科学实践带来毁灭性破坏。正如2014年的挪威电影《一千零一克》所说:“人类决定重量的定义,但同样重要的是要知道,重量的定义将如何影响人。

     幸运的是,这一切即将改变。

     用恒定不变度量世界

     如果我们改用自然界的基本常数,大K和它的复制品带来的问题都将不复存在。因为基本常数按照定义就是恒定不变的(不考虑某些新物理学体系),所以能用来定义所有的基本度量单位,包括千克,而不至于连偶尔一个喷嚏都无法承受。物理学家理查德?戴维斯(Richard Davis)表示,这将在2018年成为现实——他在国际度量衡局任职,这个组织负责官方定义国际标准度量单位。

     一些基本单位其实已经升级了。

     比如“秒”,过去被定义为一天的几分之一,但现在是用铯原子的电子发生一次能级跃迁所需要的时间来定义的。

     “米”也比过去更酷炫了。十八世纪末,法国科学院将“一米”定义为北极点到赤道,沿穿过巴黎的子午线距离的千万分之一。大约一百年后,“一米”成了一块特定的铂铱合金棒的长度。在最近一次重新定义中,也就是1983年,“一米”被定义为光在真空中走299792458分之一秒的距离。这一次,米和光速——一个自然界基本常数联系了起来。

     坎德拉,发光强度的基本单位,曾经取决于一种特殊蜡烛的亮度。现在它也与光速联系了起来。

    

     已经退休的铂铱合金标准米尺。图片来源:Wikipedia

     其它的单位也很快会照办:电流的单位“安培”会和元电荷e联系在一起,而不再用一个涉及无限长平行导体的假想实验。温度的基本单位开尔文也将不再取决于水的固有属性,而是由玻尔兹曼常数决定——这个基本常数将温度与单个粒子的能量联系起来。还有摩尔,“物质的量”的基本单位,也不再和一团任意的碳十二原子有什么关系,阿伏伽德罗常数(6.02x10^23)将会取而代之。

     (一摩尔原子有多少?阿伏伽德罗常数又更新了!)

     去年,作为这场度量单位重定义进程的一部分,大K有史以来第四次被从固若金汤的地下室里拿了出来。这就是被度量衡局称作是“非同寻常的校准”的开端——这个圆柱体被拿来和它自己的复制品相比较(它似乎没有失去更多的重量),接下来,它将会被用来校准确定重量的新装置,新装置将会建立在普朗克常数的基础上——一个量子力学中将光子的能量和频率联系在一起的基本常量。

     一旦一千克有多重建立在了普朗克常数的基础上,大K就会被淘汰了。

     国际度量衡局的局长马丁?弥尔顿(Martin Milton)介绍说:“这场最终测试的目的在于确保新定义和旧定义得出的实验结果相同。”在那之后,这块备受尊崇铂铱合金圆柱体可能还会被用在某些研究中,因为它仍然具有官方定义的一千克物体应有的重量。但它将不再是质量定义独一无二的化身了——或者据一些人认为,耻辱的化身

     国际千克原器的未来仍不明朗;也许它会被陈列在某个博物馆里。或许,在有人搅动它身上的积灰时,终究还是会打个喷嚏喷在它身上。(编辑:Ent)

     果壳网ID:Guokr42中二病究竟有没有得治?密集恐惧症真的“只是矫情”?不相干的东西严丝合缝拼在一起就觉得爽,是强迫症吗?你有病?没事~ 果壳有药呀!

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