南阁水哥,听水之语。在2018年11月16日,第26届国际计量上,国际单位制的新定义正式生效,这标志着人类计量历史上的一个重要时刻。千克的新定义将基于单位Js的普朗克常数为固定值6.626 070 15×10-34,即等于kgm²s-1,与公尺和秒的关联则通过c和Δv来定义,自2019年5月20日起开始实施。
这一天被载入史册,因为它宣告了一个时代的结束与新纪元的开启。从此,我们告别了以实物定义质量的时代,步入了以自然常数定义世界的崭新阶段。
那么,究竟是谁发现了普朗克常数呢?
从名字上看,似乎是一位名叫普朗克的人士。事实确实如此,他就是赫赫有名的马克斯·普朗克。这位伟大的物理学家出生于德国的荷尔施泰因,被公认为20世纪最杰出的物理学家之一,更因其对量子力学的贡献被誉为“量子力学之父”。
一、普朗克常数的发现背后
鉴于量子力学的深奥难懂,我们不妨略过其中的科学细节。但背后的故事却颇具趣味。
在19世纪末,黑体辐射问题引起了众多物理学家的极大兴趣。黑体作为一个理想化的物体,能够吸收并转化所有照射在其上的辐射为热辐射。当时,使用经典物理理论无法解释这种热辐射的光谱特征。马克斯·普朗克在研究这一现象时,提出了一个离散的能量假设,最终得出了著名的普朗克公式。
普朗克一直致力于研究热力学第二定律,并发表了诸多相关论文。自大约1894年起,他开始深入研究黑体辐射问题,发现了普朗克辐射定律,并提出了能量子概念及普适常量h。
二、普朗克与量子力学的开端
量子力学与狭义相对论是近代物理学的两大基石。量子力学主要探索微观粒子的运动规律。随着大量实验事实和量子论的发展,人们认识到微观粒子不仅具有粒子性,还具有波动性。这种认识的深入促进了原子物理学、固体物理学和原子核物理学等学科的发展,并使人们对自然界的认知从宏观世界延伸到微观世界。
可以说,普朗克为量子力学的诞生打开了大门。
如果牛顿告诉我们力是连续的,那么普朗克则告诉我们力是非连续的。这种非连续性的观念引发了诸如“龟兔赛跑”之类的思想实验。尽管从逻辑上看似乎存在悖论,但量子力学的引入却为我们提供了新的视角。自此,量子力学的研究时代拉开了序幕。
三、BIG K的替代者
存放于国际计量局的那个神器——用于定义“千克”的国际千克原器(IPK)或称“大K”,自诞生以来便备受关注。
大K是一个由铂铱合金制成的直立圆柱体,高度和直径均为39.17毫米。它被安放在法国巴黎郊外的一个保险箱中,受到严密的监控。为了确保全球重量系统的统一性,各国还保存了大K的复制品,并每隔40年进行比对。
即使是精心制造的人工制品也无法永恒不变。尽管铂铱合金被认为是最稳定的合金之一,大K的重量还是出现了损失,可能已减少了约50微克。
用自然常数定义计量单位成为适应下一代科学发展的必然选择。以基本常数为基础定义质量、时间等自然界基本概念,将进一步巩固我们的科学认知基础、推动技术进步以及应对社会重大挑战。