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,管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,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?

当人类还没有发现量子力学的时候,我们怎么定义一米的长度?

1875年5月20日,17个国家在巴黎签署“米制公约”,制定国际通用的米和千克的标准。这也就是5月20日作为“国际计量日”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”。

你有多少米?和它比一比。

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,说个科幻点儿的,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,“一尺之捶,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,你就很难用基本物理定律定义长度。

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,到分子运动论,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,这样就可以用基本物理定律定义一米了。

那么,氢原子的直径又是什么决定的呢?为什么电子在氢原子核外边运动,所谓的电子云,有个平均直径呢?电子云能不能无限缩小?电子能不能掉到原子核里?

前面我们提到过,量子力学就是管氢原子直径这样的事儿的。决定氢原子直径的,是量子力学中的不确定性原理。

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。

不过,这里我们说的是基本原理。但是实际操作上,精确测量原子尺度不是件容易事。所以,现在“一米”的实际定义,是光在真空中传播299 792 458分之一秒,所走过的距离。

诶,你可能要问了,刚才你不是说米的定义和量子力学有关吗?这个定义和量子力学有什么关系了?这是因为,“秒”的定义,是铯133原子基态超精细跃迁周期的9192 631 770倍来定义的。你看,原子又来了,量子又来了。

除了米和秒的定义,质量的单位千克,也在2019年加入了使用基本物理定律来定义的大家庭。有了米和秒的定义,再使用量子力学的基本常数,普朗克常数,就可以定义质量了。

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。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者:王一

审核:张文卓(夸密量子创始人兼CEO、前墨子号卫星团队成员)

出品:中国科协科普部

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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