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会「重新定义」的不止老罗,还有摩尔、千克、安培、开尔文

图片:Cyril Saulnier / CC0

2018 年的国际计量大会为什么要修改摩尔、千克、安培、开尔文等国际单位制的单位?

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先了解一下为啥老是定义各种各样的物理量。

最早的时候,长度单位“米”由法国科学家组成的特别委员会定义的。他们把通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位“米”。这个看起来很精确。

但是后来改了。改了是为啥呢?就是觉得这个定义不准。1米应该就是1米,不会因为外界条件而改变。指不定哪天地球炸了,或者某一天人类去了其他星球,上哪儿找1米去?所以这个定义最后还是被改了。19世纪末期,镉(Cd)的红色谱线被发现了,具有非常好的清晰度和复现性,在15摄氏度的干燥空气中,其波长等于 y=6438.4696×10e(-10)米。然后就重新定义了米,这和老罗的重新定义是不一样的。

但是这样定义也不是完全精确的,也有点儿复杂。后来又改成光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度定义为1米。这个宇宙哪个地方没有光???有光的地方,就可以找到最标准的1米,方便又准确。这也是为啥这个定义又覆盖了之前的定义,成为了目前为止最准确,最令人信服的定义。

说回今年的国际计量大会。

在法国巴黎国际度量局中保存有一个“千克原器”,用这玩意儿可以定义1kg到底是多少。大家都拿个仿制的模型回去,就认定这是1kg了。这也是在2018年之前,唯一一个还在用实物当标准的基本单位。但是这玩意儿不靠谱,随着时间推移,这原器未必就可以保持稳定,可能会产生各种物化变化。所以这原器也不靠谱。因此换一个定义会比较好。我们都知道,很多物理量都可以通过物理学公式相互转换,比如著名的欧姆定律,就可以把电压、电流和电阻简单地通过数学公式联系起来。而质量也是一样,我们都知道

E=mc^{2},E=hv 。其中 h 就是大名鼎鼎的普朗克常数了,而 mc 分别是质量和光速。令 m =1kg,就可以用时间单位秒( s ),长度单位(meter, m )以及普朗克常数来定义了。这样以来,以后在宇宙的任何一个地方,都不会丢失关于1kg具体的值了。

除去千克,定义的其他三个单位,摩尔,安培、开尔文也是一样的,最本质上都是为了牢牢固定住这些基本物理量的值,让这些物理量不会因为时间和空间的改变以及人工操作而产生偏差才去更改其定义和标准的。正如所报道的,之前对这些基本物理量的定义都会有一些误差或者不确定度,通过使用一些常数和重新定义可以让其消除这些隐藏的问题。

孙亚飞,分子美食家/专栏http://zhuanlan.zhihu.com/renchouduodushu

先来推荐一下我自己此前的一个回答:

为什么科学中不使用单位「个」?

按照此次修改的意见,我们可以向国际计量大会开始申请,将“个”纳入到国际单位制中,作为微观粒子的计量单位了。

在此吐槽一下原回答评论区很多既没学会阅读理解又看不懂数学定义的网友。在我此前的回答中,曾经提到一个论点,按照摩尔的旧定义,阿伏伽德罗常数 NA 几乎不可能是个有理数,但是就是这么一个观点在评论区反复被揪出来。再看看新定义,不知道这些同志们的脸是不是要肿了。

旧定义和新定义的最大区别就在于,原来的定义中,我们得到的阿伏伽德罗常数是个约数,是不确定的,并且因为碳 -12 的质量如果用克作单位,很可能是个无理数(评论区仍然有人在说无理数和循环小数的问题,再仔细想一下这里面的缘由可好?),所以这就意味着,我们也许永远都不知道 NA 的准确值是多少,它变成了和π性质相同的一个常数。

不过,NA 的“无理”是人为造成的,因为我们先定义了长度的公制单位,然后又根据长度单位定义了质量单位,假如我们反过来,就定义 NA 个氢原子的质量为 1 克,那么就没这事了。而π不一样,只要宇宙存在,那么在欧氏几何中,圆的周长 / 直径就永远是无理数。

更发指的是,我们把 NA 的准确度提高,并没有很实际的意义,哪怕它精确到个位数,甚至小数位,对我们平时的计算几乎没啥影响,这也就是此次计量大会修改定义的前提。

经过这次修改之后,我们已经可以在微观粒子的计数中引入“个”这样一个量纲了,并且定义 1 mol = 6.02214076 × 10^23 个。在这里,“个”就和我们常用的“斤”一样,它不是国际单位,但是可以和国际单位换算。不过,这个定义是很累赘的,有和没有的区别不大,很多时候,书面语言都会尽量省去“个”,比如出席人数“XXX 人”这种表述,还有的时候,“个”充当的是助词,比如“这个”、“那个”等等。并且,介于“个”在日常生活中太过常用,其实是比较麻烦的。

举个例子,“度”在我们生活中用得就比较多,而且单字用于单位时也有两种,一是温度的“度”,二是电量的“度”,于是今天我看到这么一个问题:

生活中怎么区分摄氏度的「度」与 kwh 的「度」?

这是由最近的一个新闻标题引起的:中国「人造太阳」东方超环 EAST 首次实现 1 亿度运行。

虽然很多回答都在证明不会混淆,我也很认可,的确,如果这里的度作为电量单位,说起来不通顺。但是这个问题既然被提出来,说明非专业人士是很容易混的——你一个发电站,主要关注的不就是应该是电的指标吗,怎么能是温度单位呢?

也正是因为这个原因,我在科普的时候,需要用“度”的时候,都会尽可能写成“摄氏度”或“千瓦时”,以示区分,从这一点上说,我认为新闻标题本身确实是不够好。

“度”尚且如此,那么“个”呢?

其他单位的修改依据我不熟悉,就不再班门弄斧了。总而言之,修改之后的摩尔定义更加简单粗暴,也会更好用,并且也许可以为民哲们打开一条新的碰瓷之路,祝愿各位能够经过努力,早日将我们的“个”送入国际单位制。

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