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              果殼網的大神們,為什么沒人來解釋一下“國際度量衡委員會將以普朗克常數為基準對質量單位“千克”進行重新定義”的新聞。

              推薦  (2) | 33人關注關注
              11個答案
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              千克此前的定義,是一百多年前訂做的某個圓柱形合金砝碼的質量。

              因此,“一個物體重多少千克”,就等價于“這個物體和多少個標準砝碼等重”。

              但是受限于制造工藝,砝碼的質量可能存在誤差。而受限于材料,砝碼的質量可能會變化。這個砝碼的質量變化了,就意味著世上所有物體的質量(讀數)都在變化,哪怕幅度很小,這也不是我們希望看到的。所有依賴于人工制品的定義都存在這個問題。

              時代在前進,理論在發展,技術在進步。

              隨著理論的發展,我們需要更準確更穩定的定義,而隨著技術的進步,物理量的定義也確實在逐漸更新。

              雖然我們總能用更穩定的材料制造出更準確的“標準砝碼”,但這樣做其實治標不治本。所以現在的思路是脫離人工制品,將基本單位盡可能地往自然常數上靠。這個思路的實現方法是:先通過理論將物理量和某個自然常數聯系起來,然后通過各種實驗盡可能精確測量這個自然常數,最后用測量值反過來定義這個物理量。

              比如我們發現真空光速是不變的,是一個自然常數。而此前秒已經通過銫原子振蕩周期重新定義過了,所以之后就用光速的測量值299792458米每秒反過來定義,1米為光在1/299792458秒內走過的距離。

              -----------2017.7.27改----------

              所以,只要我們找到一個自然常數,其量綱只包含質量(以及其他已經過重新定義的基本或導出單位),并且能通過設計好的實驗精確測量它,自然就能用它反過來定義質量。

              在這方面,目前最看好的就是普朗克常數和瓦特天平法。

              普朗克常數是量子力學領域的重要常數。它的意義在于揭示了微觀領域的“不連續性”。通過假設“能量不是連續的,存在最小的單元”,最終解決了黑體輻射問題。而這個最小的能量,與輻射頻率成正比,比例系數稱作普朗克常數,即

              其值為

              也就是說,

              于是在定義了1秒和1米的情況下,1千克就是普朗克常數乘上10^34/6.626093秒每平方米所得的質量。

              (類比:在定義了1秒的情況下,1米為光速在1/299792458秒所走的距離)

              當然,秒每平方米,即的量綱,不是一個常見的單位組合。通過具體的實驗手段,我們一方面希望能獲取更精確的測量值作為日后的定義值,另一方面也希望能將這個秒每平方米拆分成更有意義的物理量組合。

              瓦特天平法是一種溝通力學功率和電學功率的方法,它分為兩步。

              首先在天平一端放上一個重物,在另一端掛一個線圈并置于磁場中。給線圈加上電流,線圈會受到電磁力,調整電流至兩端平衡。

              此時有

              然后將線圈以速度v通過磁場,線圈會感生出感應電動勢

              兩式聯立,可以消去這個表征線圈分布的積分式

              此時左側為力學功率,右側為電學功率,這就是瓦特天平法提出的初衷。

              而真正與普朗克常數有關的是測量電壓和電阻時會碰到的約瑟夫森效應和量子霍爾效應。

              約瑟夫森效應是指,假如兩塊超導體間隔一層薄絕緣層,會有一定幾率“漏”過一對電子。此時若在超導體間加上電壓V,電子穿過絕緣層時會因為兩側電勢差而放出光子

              ,或

              霍爾效應是指,對通電導體施加一個垂直電流方向的磁場,運動中的電荷會因受力而偏轉,從而在導體兩側聚集,形成一個電壓。顯然這個電壓和導體中的電流相關,定義霍爾電阻為兩者的比值。可以想見磁場越強,霍爾電阻越大。但這個趨勢并不總是線性的,在特定實驗條件下(低溫、強磁場),霍爾電阻在隨磁場增強而變大的基礎上,會出現一系列的“平臺”值。

              這就是量子化的霍爾效應。

              根據這兩者可以制定電壓和電阻的量子化標準。即

              ,式中a和b為量子化標準中電壓和電阻的讀數。

              將它們應用到瓦特天平所需的電壓和電阻測量中,我們會得到

              這就是質量和普朗克常數(通過瓦特天平建立起來)的聯系。

              看一下量綱,a和b是讀數,無量綱,故有。確實是之前討論中所需的量綱。

              補充一句:這種將物理量單位與自然常數聯系起來的定義方法,解決的是諸如“1千克有多重”這樣的問題,而非“千克是什么”。因此這些方法本身并不涉及任何“本質”,實現途徑也并非唯一,我們只是選擇了目前而言精度最高的途徑而已。

              9 2

              看了下問題下的討論,你的問題分成了3個

              比如為什么要重新定義千克,為什么要用普朗克常數來重新定義,普朗克常數是個什么鬼

              為什么要重新定義千克?

              因為千克是國際單位制的7個基本單位(所謂基本單位,字面意思就是其他所有單位都是這幾個基本單位運算得到的,比如面積是長度×長度,體積是長度×長度×長度,對長度也是基本單位之一,密度是質量除以體積)之中,到目前為止唯一一個還在用具體一個特定的物體而不是客觀的規律來定義的.

              這很不科學,而且存在一些實際操作的問題,可以看看這個

              http://www.iqiyi.com/w_19rr115e5d.html

              為什么要用普朗克常數來重新定義?

              選擇普朗克常數是因為通過瓦特天平可以將它與質量關聯起來,而且便于定義.具體瓦特天平的理論我不是特別熟悉.上面那個視頻里的團隊試圖用阿伏伽德羅常數來定義千克,其實是一樣的目的,就是為了拜托基本單位對具體物體的依賴

              普朗克常數是什么?

              簡單來說,這是量子力學最基本的常數之一

              能量等于普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率 ε=

              h=6.62606957(29)×10^(-34) J·s

              0 0

              雖然標量常數化是好事,不過什么時候標量此案如震蕩石英那樣講自然常數有機的轉換為標準量,如果真的如此我們稱體重的時候或許是按照微克來計算哦。

              (PS:普朗克常數被我無數次的說出特朗普常數來著~~~)

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              Gentlebear,我也是這樣。雖然明白了為什么要重新定義,但仍然不明白怎樣定義。

              0 0

              ,因為這樣做可以把普朗克常數定義到個位,而在目前的質量定義下,做不到這一點.

              0 0

              今年又出了這個新聞,其實我覺得回答的核心是說,就算他們那邊計量如何改變,對我們普通老百姓的生活有沒有什么重大變動或者影響,比如像以前的一斤=16量的時代一下子轉變成1斤=10量的時代這種變化。

              0 0

              因為普朗克常數是本宇宙甚至所有宇宙放之皆準的常數、真理

              而原先的千克定義,取決于地球的半徑、地表的大氣壓這些在其他宇宙甚至本宇宙其他星球都無法定義的參數

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              支持者: pilabaji Gentlebear

              質量本來就是一個人們至今沒完全弄明白的東西!!!用什么h,不如用氫原子核質量的多少多少倍來定義來的直接!

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              可還是沒有人說的清普朗克常數和質量之間有什么關系,以及如何用普朗克常數來確定一個物體的質量。

              比如我們很容易理解1秒的長度就是銫原子發出的微波訊號來回擺動 9,192,631,770 次所經歷的時間;一米的長度就等于光在真空中1/299792458秒的時間內所通過的距離。我們雖然不知道這些復雜而精密的測量是如何實現的,但其原理卻是極易理解的,而普朗克常數是如何來確定質量的,其原理卻連科普大神怕是也說不清楚,也只能以所謂瓦特天枰、量子效應等更加晦澀難懂的辭藻來草草掩飾。

              我的英語不好,4級都沒過,所以看不懂英文的科普文獻,但就國內來說不管是果殼還是知乎,甚至連更不靠譜的百度我都搜過了,沒有找到一篇能夠深入淺出通俗易懂地解釋解釋普朗克常數與物質質量之間的關系,以及用普朗克常數來重新定義“千克”這件事背后的科學原理。這也凸顯出中文科普界的一個尷尬——中國科普的主力來自民科。目前一些受眾較多的中文科普渠道,不管是網絡還是電視、紙媒,所有科普文章的來源要么是翻譯自國外相關文章,要么就是這些國外的文章像剩饅頭一樣咀嚼N輪后再吐出來成為中國民眾的二手、三手科學食糧。為什么中國缺乏最前沿科學的科普,為什么中國沒有霍金這樣的一線科學家來向民眾通俗地解釋自己知道的事情。

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              很簡單,因為這樣做可以把普朗克常數定義到個位,而在目前的質量定義下,做不到這一點...

              唉,看錯了,我還以為是摩爾常數=阿伏伽德羅常數呢...不過效果是一樣的.我覺得應該用摩爾常數來定義質量...

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