测出元电荷的物理学家,元电荷是谁测量的

元电荷是谁测量的

元电荷是密立根测量的。元电荷一般指基本电荷，在各种带电微粒中，电子电荷量的大小是最小的，人们把最小电荷叫做元电荷，也是物理学的基本常数之一，常用符号e表示。

电荷（electriccharge），为物体或构成物体的质点所带的正电或负电，带正电的粒子叫正电荷（表示符号为“+”），带负电的粒子叫负电荷（表示符号为“﹣”）。也是某些基本粒子（如电子和质子）的属性，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

物理领域的经典笑话

一群伟大的科学家死后在天堂里玩藏猫猫，轮到爱因斯坦抓人，他数到100睁开眼睛，看到所有人都藏起来了，只见伏特趴在不远处。爱因斯坦走过去说：“伏特，我抓住你了。”

伏特说：“不，你没有抓到我。”

爱因斯坦：“你不是伏特你是谁？”

伏特：“你看我身下是什么？”

爱因斯坦低头看到在伏特身下，居然是安培！

伏特：“我身下是安培，我俩就是伏特/安培，所以你抓住的不是我，你抓住的是欧姆！”

爱因斯坦反应迅速，于是改口喊，“欧姆，我抓住你了！”

可是伏特和安培毕竟是欧姆的好哥们，于是，伏特和安培一个鱼跃站了起来，但是仍然紧紧抱在一起，爱因斯坦大惑。

他俩不紧不慢地说，现在，我们不再是欧姆，而是伏特×安培， 变成瓦特了。

爱因斯坦觉得有道理，于是喊，那我终于抓到你了，瓦特！

这时候，瓦特躲在角落里慢慢悠悠地说：“你看他俩这样抱着已经有好几秒了，所以，你抓得不是瓦特，而是瓦特×秒，是焦耳啦。”

这时，他看到牛顿站在不远处，爱因斯坦于是跑过去说：“牛顿，我抓住你了。”

牛顿：“不，你没有抓到牛顿。”

爱因斯坦：“你不是牛顿你是谁？”

牛顿：“你看我脚下是什么？”

爱因斯坦低头看到牛顿站在一块长宽都是一米的正方形的地板砖上，不解。

牛顿：“我脚下这是一平方米的方块，我站在上面就是牛顿/平方米，所以你抓住的不是牛顿，你抓住的是帕斯卡。”

爱因斯坦倍受挫折，终于忍无可忍地爆发了，于是飞起一脚，踹在牛顿身上，把牛顿踹出了那块一平米的地板砖，然后吼到：“说！你还敢说你是帕斯卡？？”

牛顿慢慢地从地上爬起来，说：“不，我已经不是帕斯卡了，你刚刚让我牛顿移动了一米的距离，所以，我现在也是焦耳了。”

焦耳这次学聪明了，一把扑到了阿伏伽德罗在自己身下，说：“你看，我现在是J/mol啦”，

正当爱因斯坦思考J/mol是什么东西的时候，亥姆霍兹和吉布斯这两个自由能吵了起来，都说是对方。为了不至于两败俱伤，他们一脚把开尔文踹到焦耳下面，把阿伏伽德罗顶了出来。

“看！”他俩说，“现在是J/K，是熵啦，要抓就抓克劳修斯吧”

游戏继续

这次是安培被爱因斯坦发现了，眼看安培就要被抓了。安培顺势往地上一躺，伸直身体对站在身边不远处的爱因斯坦说：“等等，我在你站的地方产生了磁场。”

正当爱因斯坦在考虑该抓高斯还是特斯拉的时候，发现他俩一人找了一块地板砖抱着，说：“不麻烦你老了，我们现在是磁通量B·S，去找韦伯吧。”

等到爱因斯坦要抓住韦伯的时候，发现韦伯在做深蹲。

爱因斯坦问：“你干嘛呢。”

韦伯回答说：“你没看到我一会儿变大，一会儿变小，我在产生感应电动势呢。”

这时伏特一下子慌了，一把抓住密立根的衣领，说：“你成天拿个油壶乱喷什么？”

“测定元电荷。”密立根回答道。

“太好了！”伏特一把抱住密立根说，“从现在起，我们就是eV，也就是焦耳。”

“靠，今天是邪了门啦！”焦耳嘀咕道，一把把赫兹压在身下，说：“看，现在是E/v，是普朗克啦！”

普朗克也不是好惹的，他突然发现远处有个来自东方的老头在地上写下了22/7和355/113，很是得意，一打听此人姓祖，心里大喜，急忙跑过去，把这两个分数照抄了一遍，趴在这四个分数上面。对刚气喘嘘嘘赶来的爱因斯坦说：“看现在是h/4pi啦！”

“那又怎样？”爱因斯坦问。

“是我的好哥们海森堡教我的，说这样我就不是我了，有什么事尽管找他。”

“好，那他在哪里？”

“这个，还真说不准。”

爱因斯坦恼羞成怒，正准备对普朗克大打出手。普朗克说：“等等，海森堡有个姓薛的好哥们，就躲在前面的箱子里。”

“这个箱子连通风口都没有，难道不会憋死吗？” 爱因斯坦问。

“这个就得你亲自去打开看看了。”

生活中常见的温度电流，物理界是这样定义的

出品：科普中国

制作：陈星

监制：中国科学院计算机网络信息中心

如前两期提到的，目前一共有七个基本国际单位：时间“秒”，长度“米”，质量“千克”，绝对温度“开尔文”，电流“安培”，发光强度“坎德拉”，物质的量“摩尔”。在这我们继续介绍日常生活中常见的温度和电流的基本单位的物理定义。

日常生活中我们使用的温度是摄氏温标，单位是摄氏度。它的定义是这样的：在标准大气压下，纯水的凝固点（即固液共存的温度）为0°C，水的沸点为100°C，中间划分为100等份，每等份为1°C。这个定义是在1742年由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯给出的，为了纪念他，1954年的第十届国际计量大会特别将此温标命名为“摄氏温标”。现在，摄氏温标已被世界上绝大多数国家所采用。

安德斯·摄尔修斯

另外还有一种比较常见的是华氏温标。华氏温标的定义是这样的：在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏1度。从定义不难看出，华氏温标的起点比摄氏温标更低，而且华氏温标的一度要比摄氏温标小。目前世界上只有美国在使用华氏温标，其他绝大多数国家使用的都是摄氏温标（图中绿色的是华氏温标使用范围，灰色的是摄氏温标）：

虽然摄氏温标在日常生活中使用广泛，但是它却不是科学研究中的主角，在科学研究上最常使用的是热力学温标（或者绝对温标、开尔文温标）。

热力学温标是由英国物理学家威廉·汤姆森，第一代开尔文男爵于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。它是一个纯理论上的温标，与测温物质的属性无关，因此它在科学研究上的应用更加广泛。

威廉·汤姆森

热力学温标的单位是开尔文，符号是K, 它现有的定义是：1开尔文定义为水的三相点与绝对零度相差的1⁄273.16。绝对温标的定义其实是根据摄氏温标而定的，这也就是为什么它们的0度的起点不同，但是温度差1开尔文=1摄氏度。下面我们来简单说明一下这个定义。

如图，

三相点是指在热力学里，使一种物质三相（气相，液相，固相）达到热力学平衡共存时的一组温度和压强数值。比如，水的固-液-气-三相点是0.01℃（273.16K）及611.73Pa。在这个温度和压强下，水蒸气，水和冰这三相可以同时存在。这就和在一个标准大气压下，零摄氏度的水和冰能同时存在是一个道理。水的三相点温度是273.16K, 那么它的1/273.16就是1开尔文（K）了。

我们日常生活中使用的摄氏度和绝对温度的换算关系是线性的，非常简单：

[°C] = [K] - 273.15

热力学温标的起点绝对零度（0K）,根据热力学第三定律，绝对零度是不可能达到的，我们只能去无限的接近这个温度。因为根据理论上的预言，在这个温度下，物体内部的原子会停止运动，内部的熵会变为零，而这是量子力学所不允许的，因此绝对零度是不可能实现的。

现有的绝对温度的单位“开尔文”的定义还是有一定缺陷的，因为它是基于水的性质而定义的，这个定义并不能满足于在低于20 K和高于1300 K处的使用，因此国际计量委员会从2005就开始着手重新定义“开尔文”，目前计划使用波尔兹曼常数，这样的新定义可以使得温度单位的定义不再依赖于任何的物质、测量手段和温度范围。当然，这样的新定义是基于之前定义的，会保持定义的联系性，日常生活中不会觉察到有任何的不同。例如，水还是会在0摄氏度时结冰，生活中的温度计还依然能正常使用。

电流也是我们日常生活中非常常见的东西了。平时，我们听到更多的是电压的单位“伏特”或者电阻的单位“欧姆”，但是它们都不是基本的物理量，它们的定义都是基于电流的单位“安培”的。

电流

“安培”的符号是“A”, 它是以法国数学家和物理学家安德烈-马里·安培命名的，为了纪念他在经典电磁学方面的贡献。“1安培”的定义是：真空中，截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内，通以等量恒定电流时，若导线间相互作用在每米长度上的力为2×10^–7牛顿，则每根导线中的电流为一安培。

可以看出，“安培”的定义通过力学单位“牛顿（N）”和之前说过的质量单位“千克”联系了起来，因此“千克”的定义也会影响到“安培”的定义。下面我们来解释一下这个定义。

由于电磁是可以相互转化的，例如发电机就是“磁生电”效应的应用。电动机、马达等就是“电生磁”效应的应用。当然，不管是“磁生电”，还是“电生磁”，这些过程的转变都是需要能量的，不可能无中生有。在“安培”的定义中，两根平行的导线通电后会在自己的周围产生磁场，如果电流方向是相同的，那么它们之间会产生吸引力，反之，就是排斥力。这主要是由电子在磁场中运动所受的洛伦兹力导致的。它们之间相互作用力（吸引或者排斥）的大小和电流的大小有着如下的关系：

其中

是两根导线中电流的大小，一般来说它们是相等的，

是一个物理常数，叫做真空磁导率，它的大小是4π×10^-7牛顿/安培^2。

是两根导线之间的距离。不难算出，当

时，

。

在这里多说一些关于电流的基本知识。电流本质上是带电元电荷（绝大多数情况下是电子）的定向移动产生的。在没有电源时，在导体内，可移动的载电电荷不停地随机移动，就像气体的粒子。这些电荷载子移动的平均漂移速度必须等于零。当加上电源之后，导体两端就有了电势差，迫使载电电荷产生一个不为零的平均漂移速度。这就好比，在广场上人流的移动是随机的，朝哪个方向的人都一样多，人流的平均速度为零。但是一旦当某个方向发生了有意思的事情，人流就会趋向那个方向移动，这时人流就会有一个不为零的平均速度。

值得注意的是，一般金属导体中电子的平均漂移速度是非常小的，大概在10^-4到10^-5m/s，因此很容易判断，电流的移动速度并不是电子的平均漂移速度，而是导体内电场的移动速度，这个速度是光速。正是因为电流是以光速在导体内流动的，我们才能在打开电源的几乎瞬间就点亮电灯，否则的话，真的是要等上好几个小时才能看到明亮的灯光。另外，由于电子的带负电，因此电流的实际方向和电子漂移速度的方向是相反的。

电流的大小和单位时间内通过导线横截面积的电荷的数目有关。这也是电流最本质的定义。之前有科学家就建议，直接通过元电荷来定义电流的单位“安培”，这个提议在2014年第25届国际度量衡大会上讨论过，但是没有被采纳。但是目前“安培”的定义存在诸多缺陷，比如说它是基于力的大小而定义的，这限制了它的精度，另外还有定义中所要求的平行的无限长面积可忽略的直导线，这在实际中几乎是不可能实现的。因此未来不久电流单位“安培”必将会被重新定义。

相比于之前介绍的几个基本物理量和它们的单位，电流这个物理量显得更加“现代”一些。特别是“磁生电”的现象被发现以后，电流得以大规模的被应用，成为了人类现代社会一个必不可少的支撑。

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。