量子力学普适常数是什么（从红楼梦中的戥子到量子力学普朗克常数）

《红楼梦》第五十一回中有一段麝月称量银子的描写。戥子就是古时候用于称量银子的一种计量器具，或者可以简单的理解为一种精密的小型杆秤，这也是我国古代质量计量的一个侧写吧。

随着科技的发展，现在质量的基本单位已经向着量子化进行发展，通过测量普朗克常数来确定质量基准，准确度更是指数量级的提升。

那么，从麝月使用的戥子，到现在的普朗克常数，质量计量的发展是如何进行的呢？质量计量在生活中起到了什么作用呢？本文为您一一道来。

1、戥子-质量计量：计量科技人员眼中的《红楼梦》

最早接触《红楼梦》是在小学时候，寒暑假没事的时候都要把四大名著翻出来读一读。

那时候对《红楼梦》中所涉及的历史背景、人物情感、社会状态等都不甚了解，现在看来也就是读个热闹。唯独对于书中所描写的红楼美食向往不已，想着如果什么时候能够大快朵颐就好了。

长大后再读红楼，出于对历史和人文的兴趣，对于很多细节就比较在意了，像是人物的头饰、服装造型、房屋建筑、家具摆设等。近几年比较喜欢去北京的大观园，作为红楼梦的外景拍摄地，很真实地将《红楼梦》中的建筑景观做了还原，让曹雪芹老先生的文字得以从平面走向立体，也让红楼的爱好者们可以更加直观地感受名著的魅力。有时候领着孩子去大观园，一路走一路讲述红楼的故事。

《红楼梦》对当时社会中人们的生活有着细致生动的描写，其中也不乏对于当时的文化、科技等方面的展示。其中《红楼梦》第五十一回《薛小妹新编怀古诗 胡庸医乱用虎狼药》中有一段关于称量银子的描写，引起了我这名计量工程师的注意。

书中是这么说的：

"于是开了抽屉，才看见一个小笸箩，内放着几块银子，倒也有戥子。 麝月便拿了一块银，提起戥子来问宝玉："那是一两的星儿？ "宝玉笑道："你问的我有趣儿，你倒成了是才来的了。 "麝月也笑了，又要去问人。 寳玉道："拣那大的给他一块就是了，又不做买卖，算这些做什么？ "麝月听了，便放下戥子，拣了一块，掂了一掂，笑道："这一块只怕是一两了，宁可多些好，别少了，叫那穷小子笑话。 不说咱们不认得戥子，倒说咱们有心小气似的。 "那婆子站在门口笑道："那是五两的锭子，夹了半个，这一块至少还有二两呢！ 这会子又没夹剪，姑娘收了这块，拣一块小些的。 ""

这戥子就是古时候用于称量银子的一种计量器具，或者可以简单的理解为一种精密的小型杆秤，星就是秤杆上的重量刻度。从这里可以看到在当时那个年代，使用银钱是非常不方便的，需要将银两剪碎了再进行支付，在读武侠小说的时候，经常会看到大侠拿着一把散碎银两付账，并慷慨的说，不用找零了，这散碎银子就是经过这么反复剪切的来的。

在当今这个社会，纸币，网络支付已经代替了当年的贵金属货币，戥子在现实中已经很少再有用武之地，即使要称量很精密的珠宝首饰等，也已经有了更方便、准确度更高的电子天平。在实验室的时候，经常会有同事拿着新买的黄金首饰来称量，经过校准后的电子天平连0.001克的质量都能分辨出来，误差很小，跟麝月她们使用的戥子真是天上地下。

随着科技的发展，现在质量的基本单位已经向着量子化进行发展，通过测量普朗克常数来确定质量基准，准确度更是指数量级的提升。

那么，从麝月使用的戥子，到现在的普朗克常数，质量计量的发展是如何进行的呢？质量计量在生活中起到了什么作用呢？本文为您一一道来。

2、起源：中国古代时间历法及计量工具

在中国，质量计量已经有了四五千年的历史。

在《尚书·舜典》中就提到了"协时正月、同律度量衡"，等到了战国初期，墨子的《墨经·经下》中，对质量的计量有了进一步的说明。

"衡而必正，说在得衡，加重于其一旁，必垂权，重相若也，相衡；则本短、标长，两加焉，重相若，则标必下，标得权也……"。

这段话虽然很短，但是充分体现了古人的智慧。我们的先人们在很早以前就知道了杠杆平衡的原理，在使用衡，也就是称量器具时，另外一段必然要挂上权，也就是秤砣，两者平衡就可得到物体的额重量。这不仅体现了中国古典哲学平衡的思想，也体现出对于科技的朴素认识。

在湖南博物馆中，我们能见到楚国出土的完整的一套天平，配备有十枚铜环权，也就是现在所说的砝码。最小的一枚环权重1铢，依次为2、3、6、12铢，1、2、4两，半斤、1斤。通过现代手段研究来看，楚国时候1两=24铢=15.6克，1铢=0.69克。

另外在中国国家博物馆，馆藏有两件战国时楚国青铜衡器，这两件衡器上都有刻线，用于悬挂权，这应当是楚迁都寿春城后王宫使用的遗物，是计量史上十分珍贵的文物。

汉民族的祖先是充满了大智慧的，他们不仅仅知道要利用杠杆原理对各种物品的质量进行计量，而且充分认识到计量过程的统一性，并通过最高行政命令的方式将这一过程固定下来，这也就是我们所熟知的秦始皇统一度量衡的历史事件。这件事情发生在公元前221年，距今已经有2200多年的历史了。

等到了汉代，古代中国的制度更加完善了。说到这，就不能不提历史上十分著名的人物—王莽。其他的历史是非暂且不论，单就中国古代科技上的发展，王莽简直就是像开挂一样，难怪网友们都说王莽是从现代穿越过去的人物。王莽制造了青铜卡尺，原理与构造与西方精密测量工具基本类似，但是比西方早了1700余年。另外据野史记载，王莽还曾经试图制作飞行器，结局当然是不可能成功的。

这些姑且不论，对于质量计量，他可以说贡献卓然。在王莽的要求下，目录学家和天文学家刘歆总结了战国时期以来的度量衡发展史，并根据考订结果．铸造了一批度量衡标准器，颁发全国各地使用。另外刘歆还写出了我国第一篇度量衡专著，其中对单位量值、进位关系以及标准器的管理制度等都有详细记载，后被收入在《汉书·历律志》中。

随着科技的发展和文明的推进，人们对于用较小的权来平衡较大的称量物有了越来越多的需求，而先人们在实践中发现只要通过移动衡杆的支点就能达到这个目的，于是杆秤就逐渐蓬勃发展起来。

3、最小称量范围0.0375克：中国历史上将杆秤技术发展到了极致

说起来很神奇，在敦煌莫高窟中北魏时期的一幅壁画上，就出现了杆秤的身影。壁画中的秤为盘秤、单纽，体现了市场称鸽子的一个场景。

在南朝萧梁时期，画家张僧繇也画了一幅执秤图，看起来就有一种莫名的喜感。虽然后来有人考证该画是亢宿，为后人模仿，但是画作至少是唐代没有问题的，表现的南朝实际历史，能看出杆秤的历史十分悠久。

唐朝时期暂时没有见到杆秤实物留存，但是在国博有意见武德元年的铜秤砣，砣身刻："武德元年新城官造库平"，该物件在史书文件中也可以查得到，另外《太平广记》中记载："长安西市有秤行。"。说明在唐朝杆秤已经用得比较普遍了。

宋代是我国古代杆秤发展的辉煌时期，杆秤技术有重大创新。有一幅画生动地描绘出宋代民间制盐工场使用大型杆秤的情景。其操作方法正如《宋史·律历志》中所述"悬钧于架，置环于衡"、"既置其物则，却立以视，不可得而抑按"。

说到宋秤．特别值得一书的是刘承珪制作的一钱半戥秤和一两戥秤。这两支戥秤的规格，在《宋会要》、《宋史·律历志》、《玉海》等书中都有翔实记载。

尤其是在宋朝还有了计量基准与计量标准的概念，这是非常难得的。在《宋史·律历志》中记载，刘承硅戥秤和用戥秤校准的砝码做成后留在宫廷中，把太湖寺的四十支旧秤和六十个旧砝码重新校准，然后再铸新的砝码。

这与现代计量体系中专业部门保留国家计量基准，计量监督部门留存计量标准，定期溯源的方式几乎是一样的，古代人的智慧真是无穷的。

从元明清开始，杆秤使用的范围越来越广，对小量程戥子的改进促使测量准确度越来越高，最小称量范围能够到1厘，大约相当于现在的0.0375克。对于专业人士来说，通过高精度戥子还能够称量小于1厘的重量。

在《红楼梦》中，麝月所使用的就是这种戥子了，在戥子上面刻有星，代表着量程范围，一般被用来称量金银珠宝和药材、香料等轻微而贵重的物品

4、从日常生活到探索宇宙：离不开的质量计量

在我们的生活中，几乎无时无刻都离不开质量计量。

最常见的，我们去菜市场买菜，称量水果蔬菜重量的天平就属于质量计量器具，按照要求是需要定期校准的；

去商场买首饰的时候，所谓的千足金，万足金，实际上就是对首饰含金量的一种通俗说法，千足金的含金量是99.9%，而万足金的含金量是99.99%，差了一个数量级，需要非常精密的质量测量器具来测定，电子天平的准确度可以达到10e-5；

每年全球消耗煤炭和石油几十亿吨，这么大的基数，如果质量测量不准确的话，哪怕只有千分之几的误差，所带来的贸易损失额都是巨大的；

目前我们正处于抗击新型冠状肺炎的重要时刻，在研制开发疫苗、药品的过程中，所有医药原料的配比要绝对精确，如果质量计量不够准确的话，药品的疗效会大打折扣，甚至起到相反的作用，后果极为严重。

在科学研究上，质量计量也是极为重要的一个环节。

1932年，由于提高了水密度测量的准确度而发现了重水，对核反应堆的发展起了重大作用。要知道普通水中的重水含量只占0.015%，如果没有精密的质量测量根本就不会发现重水与普通水的区别；

1894年，由于当时有了准确度为十万分之一的天平，英国物理学家瑞利从小数点后第三位的微小重量——0.0066克开始，发现了新元素氩，传为一段佳话；

航天飞行器在飞行过程中，随着飞行姿态的变化，随着燃料的消耗，控制系统需要质量质心测量数据的反馈，测量精度至少需要在1e-3，这关系到飞行器的安全与人身安全；

在中国人引以为豪的航天技术中，火箭点火试验期间要做1300次以上的测试，其中有675次，也就是超过一半的实验需要质量计量。正是有了这些数据的支撑，才能够让天宫一号顺利上天，才能成功在预定轨道上与空间站对接。

从戥子到超微量电子天平，无论是日常活动，还是科学研究，在背后都有着质量计量技术人员的默默努力。

5"大K"到普朗克常数：现代质量计量由宏观到微观的演变

《红楼梦》中用戥子来称量银子的重量，支付日常的花销。那么称量的到底准不准呢？这就需要有一个计量标准，来对计量器具进行校准，保证交易双方的公平。

中国从宋代开始有自己的计量标准器，外国在不同的时期也产生了各自的标准，但是要说到世界统一认同的质量标准，那就要数大名鼎鼎的国际千克原器了。

这个国际千克原器英文名缩写是IPK，人们亲切地称它为"大K"。目前我们全世界用来表示质量的基本单位kg，都是通过它来定义的。

"大K"由稳定的铂铱合金制作，并被严密保管，每隔四十年都会进行一次国际比对，确保全世界的质量计量体系是准确的。

但是随着科技的发展，实物标准器已经无法满足越来越精密的技术要求，而且人们发现，即使最稳定的铂铱合金，"大K"很可能已经损失了大约50微克的质量。

于是，在秦始皇统一度量衡两千多年以后，对于国际基本单位制的重新定义已经提上了议程。

2018年底，在国际计量大会，就通过决议，将国际千克原器退役，改以普朗克常数（符号是h）来重新定义"千克"。

其实从普朗克提出的第一个"量子"公式E=hv和爱因斯坦提出的质能方程E=mc2中，就不难发现质量与普朗克常数有关。

假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和实验结果相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率，即E = hv。普朗克常数的数值是6.62607015x10-34，单位是J·s（焦耳·秒）。

从量纲上来推算，可以得到最新的千克定义：

其中秒（s）可以用铯原子的跃迁频率来定义，米（m）可以用光速来定义，那么要准确的定义千克，只需要测量准确度足够高的普朗克常数h。

现在已经找到了一个巧妙的方法，利用基布尔称来测量普朗克常数。要知道，在科学研究的历史上，它曾经被《Nature》评为最难以实现的5个实验之一。

其实基布尔称的原理并不困难，是通电线圈与磁场相互作用而产生的电磁力(即安培力)来平衡被测量样品受到的重力。

为了验证基布尔称，科学家们还制造了一个有史以来纯度最高，圆度最高的硅球，通过硅球测量的阿伏伽德罗常数来间接地验证普朗克常数的准确度。

根据已有的文献，通过基布尔称和硅球，人们现在将千克的新定义提升到了前所未有的准确度，要求测量结果的不确定度达到（2-5）x 10-8。

从我们普通人的眼中，可能测量不确定度量级的提升并没有给生活带来了什么实质性的影响，但是在科技发展的背后，代表了我们人类已经有能力去探索更为深远的宇宙，将我们的极限从地球表面进一步的拓展到了宇宙空间。

质量计量相当于我们丈量世界的尺子，这把尺子决定了我们能够达到的距离。

6探索空间尺子：量子力学体系中的质量计量

既然技术的发展已经让我们找到了达到远距离的尺子，很自然地我们对质量的计量要从地面转向空间。

"我们的目标是星辰大海。" 在太空中，地球表面上的些计量技术就已经不适用了。由空间技术和计量学科交叉，就产生了一门新的学科--空间计量。空间计量是以太空这个广阔的空间为背景，重新研究计量单位的定义和计量方法。在这个时候就需要考虑到广义相对论了。相对论能够解决牛顿力学和笛卡尔坐标系上不可能处理的四维弯曲时空测量的问题。

由于地面和空间引力场的不同，根据广义相对论的理论，时空尺度也不一样。因此与时间空间相关的基本物理量，都需要重新考虑定义的问题。

从之前的讨论上我们已经得知，千克的定义需要引用到秒、米和普朗克常数的测量定义。

目前在国际单位制中，秒的定义是不包含引力场的修正，那么在不同的引力场有不同的原时，根据广义相对论，时钟的频率在不同的引力场中是不同的，被称为引力红移现象。

根据广义相对论，在引力场中时空不是平坦的，在强引力场中光线不走直线，会发生弯曲。而传统长度单位定义是基于欧几里得空间，认为光是直线传播的。从这个角度上讲，在四维时空中的时间定义也需要重新考虑。

爱因斯坦著名的质能公式E=mc2，告诉我们能量与质量是直接强相关的。物质能量存在的形式有内势能、外势能、热能、辐射能、原子能等，这些都随着空间、时间、引力场的变化而变化。"质量守恒定律"是地面计量学的根基，在空间则应该变成"质量能量守恒"。

"维南有箕。 睆彼牵牛。有捄天毕，长河渐落晓星沉。"

从前，我们只能坐地望星，幻想着天上神仙的日子。

现在我们已经有能力去探索更为广阔的空间。

祖先留给我们宝贵的知识财富，让我们在历史的轨迹中保有一席之地，演绎出生生不息的历史，转变出欣欣向荣的生机。

而我们计量工作者在不懈的努力下，也将质量的计量，由老祖宗发明的戥子，转变为"量子力学"体系下的普朗克常数测量。

时间在变，社会在变，技术在变，但是不变的，都是那颗为了信念，为了理想，永不放弃的心。

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