巴黎一个地下室曾可以帮你瞬间减轻体重,但现在物理学不允许这样做了

发布时间:2022-02-20 11:00 来源:环球科学 原文链接:点击获取

俗话说得好,每逢佳节胖三斤。有人是因为过年,有人是因为过冬,也有人是因为开工了心情不好,总之,不少人站上体重秤时,都不敢直视蹭蹭上涨的数字。其实,如果仅仅是想减轻你的体重,几年之前,你还有一个不用运动的方法。不过,现在物理学家用量子力学把这个方法封死了。

撰文|王昱

审校|白德凡

既然给我们带来烦恼的是体重秤上那个超出预期的数字,那么最简单的办法就是自欺欺人——换一个不那么准的体重秤。当然,如果你的朋友对你声称的体重数字感到不服,那他自然可以带一个标准的体重秤来揭开你脆弱的伪装。但是,不过,在2018年11月之前,你其实还有一个无懈可击的办法来减轻你自己的体重。

千克原器

在2019年5月20日《米制公约》144周年纪念日之前,衡量你体重的单位——千克,其实是用一个真实存在的砝码表示的。它名为“国际千克原器”(International Prototype of the Kilogram,IPK),是由铂铱合金铸造的。所谓一千克,就是指与这个砝码相等的质量。

金属铂和金属铱分别占据国际千克原器的90%和10%,这样的比例可以让合金在具有超强稳定性的同时,具有较高的硬度。砝码本身的造型是一个39.17毫米长的圆柱形,旨在用最可靠的制造工艺尽可能减小它的表面积。同时,这个砝码曾被储藏在法国巴黎国际计量局地下室的一个保险箱中,保险箱被24小时监控,同时开启保险箱需要三条分别被保管的钥匙。当然,它也不可能随随便便就被请出山,除非需要检测它的复制品质量是否准确。凡此种种,都是为了最大程度确保国际千克原器质量的稳定性

如果这块砝码的质量出现变动,那可是不得了的大事。千克由它定义,如果任何失误操作导致国际千克原器质量变动,那么理论上,应该改变的不是它的质量,而是全宇宙一切其他物体的质量。所以,如果你能找到巧妙的办法绕开层层把守,拿一小块合金和国际千克原器焊到一起,你就能成功减轻自己的体重。

不过,现在你已经不能这么做了。因为2019年5月20日之后,千克的定义改变了,物理学家不再使用国际千克原器了。

基本单位

所以,现在千克——衡量我们体重的单位——是由什么定义的?

根据最新的定义,普朗克常数h的值固定为6.62607015×10−34 J⋅s。J·s等于kg⋅m2⋅s−1,其中的米和秒是以c和ΔνCs来定义的。

也就是说,在知道千克的定义之前,我们还需要知道一个不知所云的普朗克常数h,和1米、1秒具体是多少。1米是真空中的光在1/299 792 458秒内走过的距离,而定义千克和米都要用到的秒,它的定义这样得来:科学家将铯-133原子不受扰动的基态超精细能级跃迁频率ΔνCs的值固定为9 192 631 770赫兹,而赫兹就是s−1

综上我们可以推导出一千克的定义:

所以,千克是根据铯-133原子的基态超精细能级跃迁频率、真空中的光速还有量子力学中最重要的常数——普朗克常数定义的。

和秒、米、千克同属于国际基本单位的,还有安培、开尔文、摩尔和坎德拉。在三年前,它们的定义也都被改变了

安培原来是用真空中两根相距一米的无限长平行直导线这样的理想实验来定义的。将两根导线通上恒定电流,两根导线之间每米受力为2×10−7牛顿时,导线电流为1安培。不过这种定义总会让人感到有点奇怪,除了引用了一个不可能实现的理想实验,关于电流的定义竟然和电子带电量无关。不过2019年,这一定义改变了,现在使用电子带电量和秒来定义安培

开尔文的定义也有改变。原先开尔文是水的三相点(固、液、气三态同时存在的状态)热力学温度的1/273.16。而现在它的定义这样得来:将玻尔兹曼常数的值k固定为1.380649×10−23 JK−1JK−1等于kg⋅m2⋅s−2K−1,其中的千克、米和秒是以h、c和ΔνCs定义的。

摩尔的定义也有改变。原先1摩尔物质所含的基础单元数量相等于0.012千克碳-12所含的原子数量,现在一摩尔所含的基础单元数量等于6.02214076×1023个。

我们不太熟悉的基本单位光度学单位坎德拉则没有重大改变,只是原先它涉及到了千克、米、秒,定义随之做出了相应调整。

统一度量衡

所以,国际单位制在2019年5月20日的“版本更新”去除了千克对国际千克原器这一实体物体的依存,同时,它将我们几个我们熟悉的基本物理量——铯-133原子的基态超精细能级跃迁频率、真空光速、普朗克常数、元电荷、玻尔兹曼常数、阿伏伽德罗常数和发光能效——直接作为定义单位的依据。

虽然这些定义粗看起来完全就是枯燥的教条,遵不遵守对我们的生活也并无太大影响。但实际上,为了更改这些基本单位的定义,全球的科学家努力了几十年。他们一直想尽可能测到更准的基本物理量,直到2018年,国际计量委员会才认为实验条件成熟,实验测量的基本常数的稳定性足以支持更改定义,才在2018年第26届国际计量大会上更改了这些定义。

就算在现在,进一步升级单位定义的尝试也没有停下。最近,一个研究团队在《自然·物理学》上发表论文,表示他们对异常量子霍尔效应的测量精度又提升了1~2个数量级。他们改变了测量的流程,去除了对强磁场的需求,在提升精度的同时大大简化了对设备的要求。未来,更高精度的实验可能让基本物理量的定义再次进行“版本升级”。

而对于受体重数值困扰的我们来说,2019年的变革带来了一个不那么好的消息——之前的那个控制体重“小妙招”已经不再适用了。现在想要让自己的体重好看一些,那最方便的办法是降低整个宇宙的光速,或者让所有铯-133原子不受扰动的基态超精细能级跃迁频率升高一点,又或者是提升普朗克常数——显然,这些方案实施起来的难度比之前高了不少

所以,减肥还是要管住嘴迈开腿啊!

参考链接:

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

[作者:佚名]