千克有了新定义

一公斤是多少？1,000 克。2.20462 磅。或者根据旧英制重力系统为 0.0685 斯拉格。但这个数字实际上从何而来，每个人如何确保他们使用的测量单位相同？

自 1889 年以来，国际计量大会成员国一致同意使用存放在巴黎附近的标准金属块来定义千克。但尽管现代金属块存放在高度受控的环境中，但其重量可能会发生微小变化，因为磨损会导致其质量下降，而灰尘会导致其质量增加。为了解决这个问题，世界各地的科学家花了近 20 年时间讨论如何根据自然界的恒定测量来定义千克。现在他们终于做出了决定。

1793 年，法国科学院的一个委员会定义了第一个千克（最初称为格拉夫），该委员会希望制定一个比传统上使用的固定谷物量更好的标准。委员会决定，新的测量单位是 4℃（标准条件下水密度最高的温度）下 1 立方分米蒸馏水的质量。这样做的好处是，大多数装备精良的实验室都能够复制这个标准。随后，用黄铜铸造了这个质量的原型。

不幸的是，质量的这一定义依赖于另一个可变测量单位——米。此时，米只是暂时定义为从北极到赤道的距离的一部分。一旦米的值和水最稠密时的温度得到更准确的定义，千克也必须被取代。于是，用铂金铸造了一个新原型来代表这一质量。

最终，它被如今使用的国际千克原器 (IKP) 所取代，该原器由铂和铱的混合物铸造而成，非常坚硬，不会与氧气发生反应。国际千克原器和六份副本由位于法国巴黎附近圣克卢布勒特伊馆的国际度量衡局保管，作为测量参考。国际千克原器的副本被运送到世界各地，以确保所有参与国都使用相同的标准。

但即使是现代的 IPK 质量也会逐渐变化。国际度量衡局的答案是彻底改革千克的定义，以及科学中使用的所有其他基本计量单位（称为 SI 单位，源自法语中的国际单位制）。

我们不必根据金库中存储的块来测量千克，而是可以根据自然常数的精确值来定义它。达成定义花了很长时间，因为我们需要能够以精确的标准测量这些常数，不确定度为 30 ppb（意味着测量精确到 0.00000003 个单位）。

科学家实际上已经对时间和长度进行了这样的测量。一秒不再是地球自转时间的一小部分，地球自转时间会随着地球加速或减速而变化。相反，一秒现在被定义为一定量的能量从铯-133原子以辐射形式释放所需的时间。具体来说，一秒等于铯-133超精细基态能级的9,192,631,770次跃迁。无论何时何地测量，这一结果都是相同的。

科学家们随后能够根据秒和另一个自然常数——真空中的光速 (c) 重新定义米，科学家计算出真空中的光速为 299,792,458 米/秒。因此，1 米现在等于光在 1/c 秒内行进的长度。

千克的新定义采用了另一个自然界固定值的测量值，即普朗克常数 (h)，其定义为 6.62607015×10−34 焦耳秒。普朗克常数可以通过将光粒子或“光子”携带的能量除以其电磁频率来得出。

该常数通常以焦耳秒为单位，但也可以表示为千克平方米每秒。我们从其他定义中知道一秒和一米的含义。因此，通过添加这些测量值，再加上对普朗克常数的精确了解，我们可以得到一个新的、非常精确的千克定义。

其他单位

新定义的制定时间之所以这么长，部分原因是科学家必须制造非常精密的设备，才能以足够高的精度测量普朗克常数。这种方法也引起了争议，因为它将打破千克与其他基本国际单位制单位之间的联系，尤其是摩尔，摩尔是根据物质的粒子数来衡量物质的量的。因此，一些科学家提出了替代方法。

但经过象征性投票后，国际度量衡局和世界各国计量机构将采用千克的新定义，同时采用其他基本国际单位制单位，即摩尔、开尔文（温度）、安培（电流）和坎德拉（发光强度）的新定义。

尽管有新的定义，但对大多数人来说，日常生活仍将照常进行。一袋标准糖的含糖量与过去一样。但其中一些变化，例如开尔文的变化，将为进行非常精确测量的科学家带来实际优势。要回答“一公斤等于多少”这个问题，我们将不再需要比较铂金块或担心划伤它们。

Kevin Pimbblet 是赫尔大学物理学高级讲师。本文最初发表于 The Conversation。