科学|为什么把电子秤翻过来,不能测地球的重量?重量的意义到底是什么( 二 )


在物理学上 , 很多基本单位的定义都经历了比较漫长的历程 , 最终才确定下一个方案的 。 比如长度的单位米 , 其定义就是光在真空中速度的1/299792458 , 这个定义虽然看起来有点复杂 , 但光在真空中的速度是绝对的 , 所以这个定义也使得米这个单位不会根据测量方法的不同而变化;另外 , 时间长度秒的定义 , 铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9192631770倍 的时间 , 这个单位同样复杂 , 但也同样是绝对不变的 , 所以被沿用了下来 。

科学|为什么把电子秤翻过来,不能测地球的重量?重量的意义到底是什么
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(图片说明:铯原子)
可是 , 世界上没有什么物体的重量是绝对不变的 , 太阳通过核聚变释放能量 , 损失着自己的质量;地球也不断地吸收太阳的能量 , 也向外释放物质 , 质量也在不断变化 。
无奈之下 , 科学家们只好自己造出来一个物体来定义克这个单位 。 1889 , 人们打造了一个铂铱圆柱体 , 称之为国际千克原器 , 简称大K 。 他们规定 , 这个大K的质量 , 就是1000克 , 它的1/1000就是克的定义 。
不过说起来 , 这个定义也是有够草率 。 说得夸张点 , 如果大K丢了 , 天底下就没有人知道1克有多重了 。 另外 , 大K也不是每人都有一个 , 我们平时称量东西也不可能通过大K来计算 。 再者 , 由于微观粒子的运动是不可能停止的 , 所以绝对意义上来说 , 大K也不可能永远保持同样的质量 , 它也会有质量的损失或者增加 。

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好在 , 我们始终生活在地球上 , 通过重力加速度和重量的数据 , 也可以勉强计算出一个物体粗略的质量 。 或者通过其他的手段 , 我们也能够大致测量一个物体的质量 。 只不过 , 对于要求精细的物理学家来说 , 这个问题就比较麻烦 。
不过 , 虽然宏观物体的质量会发生变化 , 但细小到微观粒子 , 化学反应的最小单位——原子 , 相对就比较稳定 。 因此 , 人们又规定:将18×14074481个碳-12原子的质量定义为1克 。
后来 , 在2018年 , 在巴黎举办的国际计量大会重新规定:利用量子力学中的普朗克常数以及根据光速定义的长度单位 , 重新定义了克的单位 。 由于长度的单位米是绝对的 , 普朗克常数也是固定的 , 因此二者推导出的质量单位克也变成了绝对的数值 , 不会因为任何环境的变化而变化 。

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不论是米还是克 , 都是物理学上的最基本单位 , 除了这两个 , 还有时间单位秒、电流单位安培、热力学温度单位开尔文、物质的量单位摩尔以及发光强度单位坎德拉 , 这7个单位构成了物理学基本单位 。 通过这7个单位(或者说这7个数据) , 我们可以推导出其他任何参数来 。 比如速度可以用长度除以时间 , 能量等于质量乘以速度的平方(还有其他方法)等等 。
物理学是一门探究世界本质的学科 , 物理学家们相信 , 虽然我们眼中看到的是花花世界 , 但追根溯源 , 都是由一些基本元素和原理构成的 , 它们通过不同方式的组合 , 就变成了大千世界 。 就像重量 , 只是我们看到的表象 , 其根本在于质量 。
可以肯定 , 即使是今天的物理学家 , 也没有真的看清世界的本质 。 这个世界到底是由什么组成的 , 它的最基本的万有理论到底是怎样的 , 还有待于物理学家们的探索 。


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