定量研究物理,需要物理单位量的定义,在物理单位量的定义过程中,又出来了很多物理常量,只有真正理解他们的由来,才不会在物理计算中迷航。
时间基本单位秒
现实生活生产中需要精确计时,古埃及将1天分为24小时,古巴比伦采用60进制,将1小时分为60分钟,古希腊又将1分钟分割为60秒,此时时间的标准是1个太阳日,分割为86400秒。
现代发现地球的自转不够精确,快慢上有变化,而且这种切割成秒也不方便。所以采用更精准的原子钟来计时,规定铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。为什么出来这么个奇怪的常数,是为了与原有的时间体系一致,使得1天刚好是86400秒,并用润秒来保持1天24小时。
空间基本单位米
"米"的定义起源于法国。1米最初定义为通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点的距离的千万分之一,并随后确定了国际米原器。
现代物理发现任何惯性参照系测得的光速不变,在真空中速度为299792458m/s,因为光速永恒不变,而子午线的长度可能会变,所以,国际上后来采用光1/299792458秒走过的距离为1米,为什么又出来这么个个奇怪的常数,是为了跟原有的米的保持长度一致,并保证不变。
面积复合单位平方米
长度可以拿直尺直接比较,面积呢?我们规定边长为1米的正方形面积为1平方米,图形包含多少个这样的正方形,面积就是多少。基于此定义,我们可以计算各种图形的面积。
体积复合单位立方米
同理,我们规定长宽高都为1米的正方体的体积为1立方米,一空间包含多少个单位体积的正方体,就说这个空间的体积是多少立方米。
物质的量质量基本单位千克
1795年,法国科学院计划将克作为质量基本单位,代表0摄氏度时1立方厘米水的质量,并制作金属实物标准器。1799年,科学家们发现4摄氏度时水的密度最为稳定,因此定义4摄氏度时1立方分米水的质量为1千克,同时制造出相应质量的铂金实物原器。

刚开始理解物质的量可能有困惑,特别是质量和重量之间的关系。因为我们是通过天平称重来称出物质的量的。但物质与物质是不同的,他们的物质的量中的物质是指什么呢?是相同的吗 ?
后来我们学习到所有物质都有各种原子组合而成,而不同的原子也都是由不同数目的质子中字电子组成,原子可以通过核聚变组合成新的原子,或者通过裂变分解成其他原子。
我们再后来学过爱因斯坦的质能公式,质量和能量是一体的 ,电子质子光子都是能量组合成的,最后都可以转化为能量,根据E=mcc,其能转化的能量是多少,就决定了其包含的物质有多少。所以不同基本粒子的物质的量是可以比较的,自然由粒子组成的宏观物质也能比较物质的量。
由于认识的提高,国际单位千克的定义也发生了改变。2018年,第26届国际计量大会通过了决议,批准采用普朗克常数重新定义千克。
现代物理揭示,光的能量不是无限可分割的,频率为v的光波,其能量最小单位为hν,称为1个光量子的能量。h就是普朗克常数,测量出约6.62607015×10-34J·s,跟光速一样,科学家相信这个常数也是不变的,但由于测量误差,这个常数的测量值可能会有变化,所以我们硬性规定h=6.62607015×10-34J·s=6.62607015×10-34J·s=6.62607015×10-34kg∙m^2/s(根据功的定义W=Fs,1J=1N·m。根据牛顿第二定律F=ma,1N=1kg·m/s²。因1J=1N·m=1kg·m/s²·m=1kg·m²/s²)
再看看这个式子,h=6.62607015×10-34kg∙m^2/s, 普朗可常量与千克,米,秒的单位有关,也就是说任意改变某一个单位量的大小,普朗克常数就会变。如果三个单位量都不变,那普朗克常数就不会变。
科学家反过来想,我们可以随便定义普朗克常数的大小,只需要调整千克,米,秒任意一个单位量的大小即可。而我们之所以测得普朗克常数的值不稳定或者不够精确,是因为千克,米,秒的单位定量不够精确。相对而言,米和秒的定义已经很精确了,所以,我们调整1千克的单位量大小,1千克就那么大,使得刚好普朗克常数为=6.62607015×10-34kg∙m^2/s,而此时1千克其实和4摄氏度时1立方分米水的质量也是一致的。这和用光来定义米是一个原理,你明白了吗?
后续更加精彩,且代后文分解。