一米、一秒、一千克，都要依靠量子力学来定义？

发布时间：2023-05-24 14:44:37 所属栏目：外闻来源：

导读：一米是多长的距离？一秒是多长的时间？一千克又代表多少质量？

你是否能想象，米，千克，秒这样我们生活中耳熟能详的计量单位，它们都要靠量子力学来定义呢？

你可能会问：所谓量子力学，关心的不是微观世界的

一米是多长的距离？一秒是多长的时间？一千克又代表多少质量？

你是否能想象，米，千克，秒这样我们生活中耳熟能详的计量单位，它们都要靠量子力学来定义呢？

你可能会问：所谓量子力学，关心的不是微观世界的事吗？管的不是一个原子有多大，原子一个状态变到另一个状态，释放出多少能量吗？它和米、千克、秒有什么关系呢？

那么，我们就要问，我们怎么定义什么是一米？

1875年5月20日，17个国家在巴黎签署“米制公约”，制定国际通用的米千克标准。这也就是5月20日作为“国际剂量日”的来历。

当时是如何规定一米的？虽然“米”这个概念的起源和单摆长度，地球半径有一定关系，但是十九世纪对米的定义，和两千多年前秦始皇统一度量衡从本质上是一样的：就是拿出一把标准的尺，说“这就是一米”。

这种定义方法很直观。但是，大家可以暂停视频，想一想，它有什么缺点？

缺点很多，我们列举几个：

第一，这把标准的尺子会不会磨损，会不会热胀冷缩，甚至会不会损坏？要是这把标准尺坏了，世界是不是就“没米了”？

第二，这把标准的尺寸放在哪个国家？这对其它国家是否公平？别的国家分到的是标准尺的副本，副本难免有误差。随着测量精度的不断发展，这些副本的精度会越来越不够用。

第三，说个科幻点的，假如你想通过通信，给远在其它星球的外星人解释清楚什么是一米，如果你没法把一把真的尺发送过去，只送信息，你怎么解释？

为了克服这些缺点，我们希望找到一个用基本物理定律定义长度的方法。这个用基本物理定律定义的长度，不依赖于车轮间的间距，不依赖于人类的脚有多大，也不依赖于地球的半径。无论现在还是未来，地球还是外星，普天之下，皆有物理，所以这个长度单位的定义始终如一。

怎么用基本物理定律定义长度呢？量子力学。

为什么要用量子力学？假如没有量子力学，用基本物理定律定义长度会碰到什么困难？

这个困难，就是两千多年前，庄子说的，“一尺之锤，日取其半，万世不竭”。庄子和很多很多古代哲学家都认为，物质是连续的。对于完全连续的物质来说，一米这个长度没有任何特殊性，这样，你就很难用自然界的基本现代物理定律精确的定义时间的长度。

但是好在，物质并不是完全连续的。从德谟克利特的猜测，到富兰克林油膜，到分子运动，到布朗运动，我们现在知道，物质是由原子组成的。比如说，一个最低能量状态下的氢原子，它的大小是基本物理定律决定的，所以，从原理上说，注意，我们先从原理上说，还没到实际操作，如果我们把一米定义成氢原子直径的大约10的10次方倍，这样就可以用这套基本数学物理定律简单地定义长宽高为一米了。

不确定性原理是说，粒子的位置和动量不能同时确定。你可以想象，如果电子云无限缩小，电子掉到原子核上，那么电子的位置就确定了，它在原子核那里，电子的动量也确定了，它趴在原子核上不动，没有动量。这样，就违背了量子力学的不确定性原理。所以，原子的大小，是量子力学的不确定性原理撑起来的。

这里讲的只是定性的说法，通过定量计算，通过解薛定谔方程，我们也可以看到，原子的半径，是量子力学决定的。原子的尺度提供了长度的基本单位，再乘以一个10的10次方，就可以做为宏观世界的长度单位。

所以，即便米、千克、秒这样看起来很宏观，很生活化的单位，在现代科学中，它们的定义，也和量子力学息息相关。世界是量子的，也是经典的，但是归根结底是量子的。你还能想出别的和宏观世界有关的量子现象吗？请在评论区告诉我吧。

（编辑：汽车网）

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