​1千克有多重？它即将被重新定义

1千克有多重？它即将被重新定义

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

11月16日，四年一度的第26届国际计量大会将在巴黎凡尔赛宫举行，届时，数百名科学家将以精确稳定的物理常数重新定义”千克”。

目前，1千克的定义就是”国际千克原器的质量”，这个原器存放在位于巴黎的国际计量局的保险柜里。千克是目前国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位。其他的六个基本单位是米（长度），秒（时间），开尔文（温度），安培（电流），摩尔（物质的量）和坎德拉（发光强度）。

千克定义的演变史：从实物到基本物理常量

千克最初的定义是4 ℃时一立方分米水的质量，这是1799年由法国科学家提出来的，并以这个标准制作了纯铂的千克原器作为1千克的国际标准。过了将近一个世纪，由于铂铱合金更加稳定，1889年科学家们用铂铱合金代替了纯铂的千克原器，然后这个千克原器一直被使用到现在。也就是说，我们使用的千克的定义一直是以国际千克原器这个实物为标准的。这样的千克定义虽然简单，但是却存在一些根本性的困难。

国际千克原器

首先，通过长时间的观察，人们发现，这个实物的保存并不容易。尽管保存条件几乎无可挑剔，但是国际千克原器的质量还是会随着时间的推移会发生微小的变化，这是一个问题。因为千克原器是千克定义的基准，它质量的改变意味着其他所有东西质量的改变。

另外一个问题就是，为了避免对国际千克原器造成损伤，国际千克原器不能经常性使用，这就给不同实验室对千克的测量带来很大的不便。

物理学中诸多的物理量都和千克有关，例如牛顿（力学单位），瓦特（功率单位），焦耳（能量单位）等，因此，千克原器任何轻微改变都会引起其他物理量定义的混乱。

为了有效杜绝这种混乱，早在2005年，国际计量委员会（CIPM）就已经建议以基本物理常量为基础，对千克进行重新定义。 在2010年国际计量委员会决定，以普朗克常数为基础重新定义千克，之后2011年国际度量衡大会同意了该提议，并计划在2018年正式实施。

普朗克常数创始人马克斯·普朗克

普朗克常数：重新定义千克

要用普朗克常数对千克进行重新定义，就需要对普朗克常数进行更为精确地测量，目前这一工作正在进行当中。普朗克常数的准确数值已经从6.626 070 040 x 10^-34 kg∙m^2/s变为6.626069934 x 10^-34 kg∙m^2/s，不确定度从0.000000081 × 10^−34提高到了0.000000013 × 10^−34。得到精确的普朗克常数之后，就可以使用瓦特天平来对质量进行精确地测量。

那么为什么要用普朗克常数重新定义千克呢？原因如下：普朗克常数是物理学中最基本的常数之一，而且和它有关的量可以较为精确地测量，这也就意味着普朗克常数也能被精确地测量。

瓦特天平是一套十分复杂的平衡系统

普朗克常数的单位是m^2 kg / s，除了kg之外，其他长度（m）和时间（s）都有着很好的定义，且易于测量，因此选用普朗克常数来定义千克是一个比较好的选择。而且新定义很容易被世界各地的实验室重复，因为只要拥有一台瓦特天平，根据普朗克常数将相应的仪器参数设置正确，那么得出的质量就是一千克，这将会大大方便不同实验室对质量的精确测量和使用。

当然，日常生活中使用的千克并不受影响，因为这样的定义并没有改变原有千克的大小，只是将千克的定义基础改变了，使它变得更容易重复和使用，更加稳定。