1千克有多重？它即將被重新定義

出品：科普中國

製作：陳星

監製：中國科學院計算機網路信息中心

11月16日，四年一度的第26屆國際計量大會將在巴黎凡爾賽宮舉行，屆時，數百名科學家將以精確穩定的物理常數重新定義"千克"。

目前，1千克的定義就是"國際千克原器的質量"，這個原器存放在位於巴黎的國際計量局的保險柜里。千克是目前國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進行定義的單位。其他的六個基本單位是米（長度），秒（時間），開爾文（溫度），安培（電流），摩爾（物質的量）和坎德拉（發光強度）。

千克定義的演變史：從實物到基本物理常量

千克最初的定義是4 ℃時一立方分米水的質量，這是1799年由法國科學家提出來的，並以這個標準製作了純鉑的千克原器作為1千克的國際標準。過了將近一個世紀，由於鉑銥合金更加穩定，1889年科學家們用鉑銥合金代替了純鉑的千克原器，然後這個千克原器一直被使用到現在。也就是說，我們使用的千克的定義一直是以國際千克原器這個實物為標準的。這樣的千克定義雖然簡單，但是卻存在一些根本性的困難。

國際千克原器

首先，通過長時間的觀察，人們發現，這個實物的保存並不容易。儘管保存條件幾乎無可挑剔，但是國際千克原器的質量還是會隨著時間的推移會發生微小的變化，這是一個問題。因為千克原器是千克定義的基準，它質量的改變意味著其他所有東西質量的改變。

另外一個問題就是，為了避免對國際千克原器造成損傷，國際千克原器不能經常性使用，這就給不同實驗室對千克的測量帶來很大的不便。

物理學中諸多的物理量都和千克有關，例如牛頓（力學單位），瓦特（功率單位），焦耳（能量單位）等，因此，千克原器任何輕微改變都會引起其他物理量定義的混亂。

為了有效杜絕這種混亂，早在2005年，國際計量委員會（CIPM）就已經建議以基本物理常量為基礎，對千克進行重新定義。 在2010年國際計量委員會決定，以普朗克常數為基礎重新定義千克，之後2011年國際度量衡大會同意了該提議，並計劃在2018年正式實施。

普朗克常數創始人馬克斯·普朗克

普朗克常數：重新定義千克

要用普朗克常數對千克進行重新定義，就需要對普朗克常數進行更為精確地測量，目前這一工作正在進行當中。普朗克常數的準確數值已經從6.626 070 040 x 10^-34 kg?m^2/s變為6.626069934 x 10^-34 kg?m^2/s，不確定度從0.000000081 × 10^?34提高到了0.000000013 × 10^?34。得到精確的普朗克常數之後，就可以使用瓦特天平來對質量進行精確地測量。

那麼為什麼要用普朗克常數重新定義千克呢？原因如下：普朗克常數是物理學中最基本的常數之一，而且和它有關的量可以較為精確地測量，這也就意味著普朗克常數也能被精確地測量。

瓦特天平是一套十分複雜的平衡系統

普朗克常數的單位是m^2 kg / s，除了kg之外，其他長度（m）和時間（s）都有著很好的定義，且易於測量，因此選用普朗克常數來定義千克是一個比較好的選擇。而且新定義很容易被世界各地的實驗室重複，因為只要擁有一台瓦特天平，根據普朗克常數將相應的儀器參數設置正確，那麼得出的質量就是一千克，這將會大大方便不同實驗室對質量的精確測量和使用。

當然，日常生活中使用的千克並不受影響，因為這樣的定義並沒有改變原有千克的大小，只是將千克的定義基礎改變了，使它變得更容易重複和使用，更加穩定。

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