巴黎的一個地下室曾可以幫你瞬間減輕體重

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HDPE噴霧瓶https://www.knowledgeread.com/101775-21/20220222112200/image_0.jpg綠幽靈

圖片來源:Pixabay


俗話說得好,每逢佳節胖三斤。有人是因為過年,有人是因為過冬,也有人是因為開工了心情不好,總之,不少人站上體重秤時,都不敢直視蹭蹭上漲的數字。其實,如果僅僅是想減輕你的體重,幾年之前,你還有一個不用運動的方法。不過,現在物理學家用量子力學把這個方法封死了。


撰文|王昱
審校|白德凡


既然給我們帶來煩惱的是體重秤上那個超出預期的數字,那麼最簡單的辦法就是自欺欺人——換一個不那麼準的體重秤。當然,如果你的朋友對你聲稱的體重數字感到不服,那他自然可以帶一個標準的體重秤來揭開你脆弱的偽裝。但是,不過,在2018年11月之前,你其實還有一個無懈可擊的辦法來減輕你自己的體重。
 


千克原器


在2019年5月20日《米制公約》144周年紀念日之前,衡量你體重的單位——千克,其實是用一個真實存在的砝碼表示的。它名為“國際千克原器”(International Prototype of the Kilogram,IPK),是由鉑銥合金鑄造的。所謂一千克,就是指與這個砝碼相等的質量。
 
金屬鉑和金屬銥分別占據國際千克原器的90%和10%,這樣的比例可以讓合金在具有超強穩定性的同時,具有較高的硬度。砝碼本身的造型是一個39.17毫米長的圓柱形,旨在用最可靠的製造工藝盡可能減小它的錶面積。同時,這個砝碼曾被儲藏在法國巴黎國際計量局地下室的一個保險箱中,保險箱被24小時監控,同時開啟保險箱需要三條分別被保管的鑰匙。當然,它也不可能隨隨便便就被請出山,除非需要檢測它的複製品質量是否準確。凡此種種,都是為了最大程度確保國際千克原器質量的穩定性

日初朝食https://www.knowledgeread.com/101775-21/20220222112200/image_1.jpg

國際千克原器的複製品(圖片來源:wikipedia)


如果這塊砝碼的質量出現變動,那可是不得了的大事。千克由它定義,如果任何失誤操作導致國際千克原器質量變動,那麼理論上,應該改變的不是它的質量,而是全宇宙一切其他物體的質量。所以,如果你能找到巧妙的辦法繞開層層把守,拿一小塊合金和國際千克原器焊到一起,你就能成功減輕自己的體重。
 
不過,現在你已經不能這麼做了。因為2019年5月20日之後,千克的定義改變了,物理學家不再使用國際千克原器了。


基本單位

 
所以,現在千克——衡量我們體重的單位——是由什麼定義的?
 
根據最新的定義,普朗克常數h的值固定為6.62607015×10−34 J⋅s。J·s等於kg⋅m2⋅s−1,其中的米和秒是以c和ΔνCs來定義的。
 
也就是說,在知道千克的定義之前,我們還需要知道一個不知所云的普朗克常數h,和1米、1秒具體是多少。1米是真空中的光在1/299 792 458秒內走過的距離,而定義千克和米都要用到的秒,它的定義這樣得來:科學家將銫-133原子不受擾動的基態超精細能級躍遷頻率ΔνCs的值固定為9 192 631 770赫茲,而赫茲就是s−1
 
綜上我們可以推導出一千克的定義:
 

https://www.knowledgeread.com/101775-21/20220222112200/image_2.jpg

 
所以,千克是根據銫-133原子的基態超精細能級躍遷頻率、真空中的光速還有量子力學中最重要的常數——普朗克常數定義的。
 
和秒、米、千克同屬於國際基本單位的,還有安培、開爾文、摩爾和坎德拉。在三年前,它們的定義也都被改變了
 
安培原來是用真空中兩根相距一米的無限長平行直導線這樣的理想實驗來定義的。將兩根導線通上恆定電流,兩根導線之間每米受力為2×10−7牛頓時,導線電流為1安培。不過這種定義總會讓人感到有點奇怪,除了引用了一個不可能實現的理想實驗,關於電流的定義竟然和電子帶電量無關。不過2019年,這一定義改變了,現在使用電子帶電量和秒來定義安培
 
開爾文的定義也有改變。原先開爾文是水的三相點(固、液、氣三態同時存在的狀態)熱力學溫度的1/273.16。而現在它的定義這樣得來:將玻爾茲曼常數的值k固定為1.380649×10−23 JK−1JK−1等於kg⋅m2⋅s−2K−1,其中的千克、米和秒是以h、c和ΔνCs定義的。
 
摩爾的定義也有改變。原先1摩爾物質所含的基礎單元數量相等於0.012千克碳-12所含的原子數量,現在一摩爾所含的基礎單元數量等於6.02214076×1023個。
 
我們不太熟悉的基本單位光度學單位坎德拉則沒有重大改變,只是原先它涉及到了千克、米、秒,定義隨之做出了相應調整。
 

統一度量衡


所以,國際單位制在2019年5月20日的“版本更新”去除了千克對國際千克原器這一實體物體的依存,同時,它將我們幾個我們熟悉的基本物理量——銫-133原子的基態超精細能級躍遷頻率、真空光速、普朗克常數、元電荷、玻爾茲曼常數、阿伏伽德羅常數和發光能效——直接作為定義單位的依據。

https://www.knowledgeread.com/101775-21/20220222112200/image_3.jpg

片來源:Emilio Pisanty/wikipedia


雖然這些定義粗看起來完全就是枯燥的教條,遵不遵守對我們的生活也並無太大影響。但實際上,為了更改這些基本單位的定義,全球的科學家努力了幾十年。他們一直想盡可能測到更準的基本物理量,直到2018年,國際計量委員會才認為實驗條件成熟,實驗測量的基本常數的穩定性足以支持更改定義,才在2018年第26屆國際計量大會上更改了這些定義。
 
就算在現在,進一步升級單位定義的嘗試也沒有停下。最近,一個研究團隊在《自然·物理學》上發表論文,表示他們對異常量子霍爾效應的測量精度又提升了1~2個數量級。他們改變了測量的流程,去除了對強磁場的需求,在提升精度的同時大大簡化了對設備的要求。未來,更高精度的實驗可能讓基本物理量的定義再次進行“版本升級”。
 
而對於受體重數值困擾的我們來說,2019年的變革帶來了一個不那麼好的消息——之前的那個控制體重“小妙招”已經不再適用了。現在想要讓自己的體重好看一些,那最方便的辦法是降低整個宇宙的光速,或者讓所有銫-133原子不受擾動的基態超精細能級躍遷頻率升高一點,又或者是提升普朗克常數——顯然,這些方案實施起來的難度比之前高了不少
 
所以,減肥還是要管住嘴邁開腿啊!


參考鏈接:

https://www.bipm.org/en/home

https://en.wikipedia.org/wiki/2019_redefinition_of_the_SI_base_units

https://physicsworld.com/a/electrical-resistance-standard-could-get-a-revised-quantum-definition/

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01424-8



轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場



來源:環球科學

https://www.knowledgeread.com/101775-21/20220222112200/image_4.jpg

編輯:fiufiu


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