今天,“千克”的新定义正式生效!安培、摩尔、开尔文的定义同样改变了。2011 年,第 24 届国际计量大会的 55 名与会代表一致同意,开启重新定义千克的工作,采用普朗克常数来作为基准。
7 年后,在第 26 届国际计量大会正式投票决定,改变千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)这4个基本单位的定义,新定义将全部采用基本物理常数来定义,分别以普朗克常数(h)、基本电荷(e)、玻尔兹曼常数(k)和阿伏伽德罗常数(NA)的固定数值来实现。历经 8 年的讨论与修订,今天,这四个单位的定义正式改变了。
今天是第 20 个国际计量日,主题为“国际单位制(SI)——根本性飞跃(Fundamentally better)”。千克、安倍、开尔文和摩尔的新定义将从今天开始生效,这是 SI 自从 1960 年以来最大的一次调整。计量学家们所追求的“圣杯”,就是一套适用于“万世万民”的计量体系。
经过这次修订,我们离这个目标又近了一步:各种基本单位的定义不再受限于任何实体,而取决于事物的基本性质和人类技术的测量能力。
千克:从“大K”到普朗克常数。这一次更新的定义中,最受关注的就是千克的重新定义,它曾经是最后一个依赖于物理实体的测量单位。1 千克曾经被定义为国际千克原器“大K”的质量。“大K”是一个铂-铱合金圆柱体,被保存在位于巴黎的国际度量衡局(BIPM)总部。
尽管受到严密的保护,“大K”的质量一直在神秘丢失,而千克定义的改变也将波及其他相关定义,甚至一些基本物理常数的值。这些因素都让修改千克定义变得越发迫切。新的千克定义以普朗克常数为基准。普朗克常数反映了一个光子携带的能量与频率之间的关系,光子能量等于频率与普朗克常数的乘积。
所以,普朗克常数反映了量子物理中“一份”能量的大小,它决定着量子效应,并在所有尺度、所有环境中对所有的粒子施加同样的影响,这让它成为一个理想的测量标准。
摩尔:没准你已经学过了。摩尔这个单位有些特殊,它的定义更改确实是最近的事情,但是你很可能早就开始使用它的新定义了——1 摩尔物质中含有的基本粒子数量为 6.022 140 76 × 1023,这个数值就是阿伏伽德罗常数的值。在官方文件中,自从 1971 年起,1 摩尔被定义为“所含基本微粒个数与 0.012 千克碳 12 的原子数相等的系统中物质的量”。这个旧定义直接取决于千克的定义。
安培:告别“理想实验”。安培(A)的旧定义确立于 1946 年,它依赖一个理想实验:两根无限长、忽略横截面积的导线在真空中相距 1 米平行放置,使真空磁导率(vacuum magnetic permeability,记作μ0)为 4π × 10−7 N A−2 时(其中 N 为力的单位牛顿),导线中的电流为 1 安培。这样的定义为实验室中的精确测量造成了困难。
新的提案使用基本电荷常数 e 对安培进行定义。当导线中每秒通过的电子数量为 1/(1.602 176 634 × 10−19) 的时候,导线中的电流为 1 安培。
开尔文:遇见玻尔兹曼。开尔文是热力学温度的单位,它的旧定义确立于 1967 年,指“水的三相点温度的 1/273.16”。在三相点温度和特定的压强下,水的气、固、液三态可以共存。开尔文的新定义将由玻尔兹曼常数导出。
玻尔兹曼常数代表了系统的熵(S)与热力学几率(记作 Ω 或 W)之间的关系,热力学几率越大,即某一宏观态所对应的微观态数目越多,系统内的分子热运动的无序性就越大,熵值越大。具体而言,S = k ln Ω(这个公式也被刻在玻尔兹曼的墓碑上)。
总的来说,这次更新对日常生活没什么直接影响,但它无疑将促进一些科学领域的发展,就像高精度铯原子钟让我们得以证明广义相对论一样。当然,如果你愿意,你可以联想一下——光是注视体重秤上的数字,你便和量子效应、铯原子和光速发生了联系,这是多么妙不可言的事情。