新「千克」定義獲得國際計量大會批准，基本單位全面邁向量子化

知識 11-17

首先，千克定義的改變對日常生活的影響微乎其微，但你的體重數值可能還真的有所改變，這個改變多小呢？答案是不會超過一億分之五，假如一個人的體重是60千克，新定義會讓他的體重最多上升3毫克。3毫克是個什麼概念呢？一根長度5厘米的兒童髮絲，重量就可以達到0.5毫克。所以其實千克定義改變後我們每個人體重數值的變化可能還不到一位女性一根秀髮的重量……

北京時間11月16日夜間，第26屆國際計量大會於巴黎郊外的凡爾賽鎮召開會議，經由成員國一致同意（哈薩克代表缺席），大會宣布千克定義正式變更。新的千克定義基於基本物理常數——普朗克常數，而原先作為千克標準的國際千克原器即將結束其130年的服役生涯。

據悉，國際單位制中的4個基本單位——質量單位千克、電流單位安培、物質的量單位摩爾以及溫度單位開爾文改由自然常數來定義，並於2019年國際計量日（5月20日）起正式生效。

千克原本是如何定義的?

古代，世界各國之間還沒有形成統一的度量衡，各國各地都有自己的重量計量單位，給國際間物資的流通製造了很大障礙。18世紀末，法國率先牽頭開展了統一國際計量標準的宏偉大業。法國科學家用北極到赤道經線長度的一千萬分之一定義了1米，進而又用1立方分米水（一升水）的質量定義了1千克。

米定義曾經的依據是經線周長的四分之一；一升的容積，來源：公有領域

這個定義在實際使用中會產生很多操作上的麻煩，且不說水的流動性帶來的不便，量取水的體積本身就存在很大的誤差，因此人們自然想到利用某個固體的重量來與上述的千克定義等價。

法國政府組織科學家精確地測量了一升水的質量，中間考慮到了水在不同溫度下的密度變化，最終測出了一升水在4攝氏度（此時水密度最大）時較為精確的質量，進而著手打造一件金屬制千克基準器。1799年12月，法國檔案局收藏了這件由純鉑製造的國際千克原器，1千克被定義為等同於它的質量。

這件純鉑原器為世人服務了90年，在它的生涯後期，人們已經發現它的質量與最初相比發生了微妙的變化。於是，1889年，一個由更加穩定耐蝕的鉑銥合金打造的新千克原器替代了之前的純鉑原器，並一直服役到今天。

它被安置於巴黎塞夫爾的一座城堡中，由雙層玻璃罩包裹，抽成低真空。與此同時，40個左右基於它的複製品被送到全球各國，這些複製品本身並沒有被嚴格製作成與原器相同的質量，但與原器相比的誤差會嚴格標明，稱為某某國千克原器。各國在用天平校準自己的質量量具時，最終的依據都是本國的千克原器。

國際千克原器CG圖（作者： Greg L）和保存在日本產總研的日本千克原器（公有領域）

由於這件鉑銥合金原器關乎全球度量體系的穩定，法國政府對其進行了嚴密的保護。存放室的鎖需要由三把鑰匙打開，這三把鑰匙保存在不同人手中，必須三人同時在場，才能打開房間。三位核心成員每年會檢查一次原器的存放情況，確保原器狀況良好。

此外，各國的原器也會定期運回巴黎，與真正的原器進行比對校準，不過這種校準目前為止一共只進行了三次而已。

作為質量的「度量衡」，千克的定義需要更高的精度和穩定性

千克單位作為一個物理學的基本量，在科研、加工製造以及我們日常生活中起到「度量衡」的作用，隨著科技的不斷進步，人們對應於這個「度量衡」的精度和穩定性提出了更高的要求。

鉑銥合金千克原器誕生之初，法國科學家曾經希望它能夠以良好的狀態為人類服務至少幾百年。然而，任何有形的物質都無法逃脫歲月的操磨，1992年，在利用天平對各國原器進行校準時，科學家們發現國際千克原器的質量明顯變輕了！那麼，我們是如何知道原器的質量發生了變化呢？

其實，與國際千克原器一同誕生的，還有它的六位孿生兄弟。作為校準用器，它們被保存在同一地點，定期稱重備案。在與其它六個原器進行稱重比對時，真正的原器目前確實比其它六個輕。

其它副原器相對國際千克原器的重量變化，作者：Greg L

雖然原器的質量變化到目前為止也不會超過50毫克，但這種依賴於實物的千克定義方式確實令計量科學家們感到坐立不安。且不說實物原器確實可能發生狀態變化，它130年內一億分之五（50毫克/1千克）的容許精度也已經不足以支撐現代科技的發展。

由此，提出基於物理常數、不會隨著歲月推移發生變動的新一代千克定義就成為了科學家們已經追求了數十年的目標。

新的千克定義是怎樣的？

物理常數是指物理學中數值固定不變的物理量，它們的背後代表了很多宇宙中類似於「真理」的物理關係。以真空中光速2.99792458×10^8m/s為例，這一數值雖然可能因為人類科技水平的發展而得到精度上的提高和修正，但其本身並不依賴於某個實物，可以認為是亘古不變的真理。

我們之前提到過米最初的定義是北極到赤道經線長度的一千萬分之一，後來法國科學家也利用鉑金製造過國際米原器。不過從1983年起，米的定義就開始基於真空中的光速了，1米等於光在真空中於1/299792458秒內行進的距離。

鉑金打造的國際米原器仍然熠熠生輝，來源：公有領域

千克的新定義與之類似，根據愛因斯坦質能方程E=mc^2和普朗克關係式E=hγ，我們可以推算出，1千克是與頻率為c^2/h的光子的能量等價的質量，其中c為已經精確測定的真空光速，h為普朗克常數。鑒於完全理解這個定義需要一定的物理基礎，具體的推導過程我們就不在這裡詳細敘述了，各位讀者可以參考利用真空光速定義米來理解這個新定義。

科學家們為新千克定義的誕生付出了怎樣的努力？

用常數定義單位的方法雖然更加科學合理，但是它與實物定義相比，最大的困難就是這些常數本身需要得到精確的測量，否則又談何以他們來定義單位？因此，科學家們的課題就轉變為了對定義千克所用物理常數的精確測量。國際千克原器已經擁有了一億分之五的精度，新定義在精度方面無論如何也要優於這一數值。

實際上，在普朗克常數最終成為千克新定義的基石之前，阿伏伽德羅常數的呼聲也非常高，而且阿伏伽德羅常數本來就與質量間存在密切關係。

普朗克常數最終被選中是因為它本身能夠與一系列電學相關的基本單位建立聯繫，和阿伏伽德羅常數相比在某些方面存在便利性。另外，這兩個常數間存在嚴格的數量關係，得到二者之一，就能夠以相同的精度得到另外一方的數值。

最後，科學家們決定以兩種方式同時對普朗克常數進行超高精度測定，再以此為基礎定義千克。其中，日本、德國、加拿大、美國組成的團隊主要負責從測定阿伏伽德羅常數入手，再將結果換算為普朗克常數。

經過各國科學家的不斷努力，在阿伏伽德羅常數被重新精確測定的同時，也將普朗克常數的精度提高到了一億分之一，精度上大幅超越了國際千克原器。如今，千克的新定義已經塵埃落定，在不知不覺間，無數科學家為之付出了數十年的心血。在實現這一定義的過程中，出於對精度的高要求，實驗反覆進行了三輪，終於獲得了圓滿的結果。其中的艱辛與快樂恐怕只有參與其中的科學家們才能了解了。