即将彻底改写千克的定义千克的重新定义 _小知识

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作者 | 光谱
你知道一千克有多重吗？
大部分人可能立刻联想到了水，“记得好像一升水有多重，就是一千克？”
这个答案是对的：早在两百多年前，法国人就曾给一千克下过定义：一升水在冰点时的质量。
国际科学界对于一公斤/千克/kg的定义方式，在那以后又经历了几次修改，但大体不变，总是和一升水的质量基本一样。
2018年11月16日，也就是这个周五，科学家们又将齐聚在法国，再次对国际单位制的几个基本单位的定义进行改写。
其中，最受人关注的就是千克了。
不过科学家们已经说了：这次重写千克的定义，跟大家一毛钱关系都没有。平常人的一千克，还是原来的一千克。
刚一听说的时候，我的想法和你现在可能是一样的：
定义来定义去，不还是那么重吗？成天“重新定义”，是想当乔布斯吗？
先别着急。想要理明白千克为什么要被重新定义，我们得先理解，它的定义最一开始是怎么来的。

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从历史的角度来看，度量衡总是趋向统一的。秦始皇嬴政的“一法度衡石丈尺”是最早的统一度量衡。类似的事情，也发生在上千年后的法国。
大革命前夕，法国的经济每况日下，而贵族私定度量单位，更是加重了人民和国家的负担。在法国科学院辅佐下，法皇路易十六决定统一度量单位。
科学家达成的共识是：将边长一分米的立方体的水在冰点0℃时的绝对重量，作为标准质量单位，取名为 grave；边长一厘米的立方体的水在同样条件下的绝对重量作为标准质量单位 gravet.
既然有了标准单位，就要推广它。问题是水测量起来还是不太方便，真空倒是被马德堡半球证明了，但是在那会儿想要实现真空还是挺费劲的，所以法国人趁着还有条件做了几个 1 grave 的金属砣，给社会各界作为参考。
遗憾的是，早早上了断头台的路易十六没能看到自己开创的十进制度量系统开花结果。grave 和 gravet 作为标准度量单位系统的一部分，开始在法国推行使用，并于1795年立法，正式名称为 kilogramme 和 gramme 。1795年做出来的一个金属砣，成为了千克基准器。

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1793年法国制造的 grave 基准器，曾是北大西洋海盗的宝贝。
1799年，欧洲科学家再次测量一升水的质量，发现跟1795年造出的千克基准器差了将近百分之0.08……
短短四年，就这么大的误差？在当时科学家已经意识到这种定义方式不够精准和稳定，如果沿用下去，将来迟早要出乱子。
于是，科学家照着一升水在4℃下的质量，用纯铂 (Platinum) 制造了一个新的基准器。至于为什么选4℃，是因为当时科学家发现水在这个温度下密度最大，最“稳定” 。
这枚铂锭，在1799年送交法国档案局，命名为档案局千克 (Kilogramme des Archives) 。同时，它的质量也成为了当时千克的正式定义。
这个定义沿用了将近一个世纪，西方各国认可它，纷纷前来索要档案局千克的复制品，为后来米制全球通行创造了条件。下图中的这枚铂圆柱在1821年交给了美国政府，作为美国官方的千克基准。

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因为使用了百分之百纯铂，这枚档案局千克满足作为千克基准器的各项要求：抗氧化、超高密度（铅的两倍、水的21倍）、电和热的传导性高，以及抗磁化。
但是它依然有个问题，就是硬度不够。
1875年，法国召集各国签署了一个米制公约，成立了国际计量局 BIPM 。

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得益于铱这一刚被发现、密度极高的元素，各国代表和科学家在米制公约大会上决定制造一个新的千克基准器，采用9:1的配比将铂和铱组成合金。这样既能保证铂的属性，又能增强硬度。
法国制造了一批高度和直径均为39.17mm的铂铱合金圆柱体，按照约定妥善保存。
等到1889年第一届国际计量大会召开，他们把这些金属砣拿出来，测一测，留下了最接近档案局千克的那一件，命名为国际千克原器 International Prototype of the Kilogram，简称 IPK 。到了1901年，1千克正式采用 IPK 的质量来定义。

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图 | BIPM
IPK（上图）一直沿用至今，它也有了一个外号，叫做大K (Big K) 。
照着大K，国际计量局又生产了十六枚复制品，十枚用，六枚不用，它们和大K一起存放在法国郊外的一座城堡地下室，需要三把独立的钥匙才能打开的保险库内，放在玻璃罩里，尽量减少与外界的接触。

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图 | BIPM
除了这十六枚，该机构还另外生产了不到一百枚，交给各国保存和使用。
这些复制品的质量，和大K极为接近，倒也没有完全一样的。这怎么行？倒也还好，它们有各自的编号，诞生之时和大K之间的质量差值也记录了。比如 K20，由美国持有，生产出来的质量是 1kg-39μg，也即比大K少39微克。
大K的制作体现了第二次工业革命的科技顶峰和工艺水平，遗憾的是它仍不尽如人意。
不知道该说意料之中还是意料之外：一百年过去后，科学家们发现大K也不准了。
在过去，国际计量局一共只把大K拿出来过三次，和散落在世界各地的进行测量，分别在1889、1948和1989年。1889年，K20 的质量为1kg-39μg；1948年，1kg-19μg 。
到了1989年，K20 的质量已经和大K完全相同了。
乍一看这属于正常现象：在复制品的存放、运输，以及测量之前的清洗过程中，吸收空气增加质量或者因磨损丢失质量都是可预期的。
但是目前的研究显示，这些秤砣的质量随着时间的推移会发生微小的变化。同时，过度使用也对其造成损伤，因为它实在太金贵了，以至于有专家表示，你在它旁边打个喷嚏都会让其质量发生变化。

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IPK 的清理过程图 | BIPM
这一切让科学家感到恐慌：IPK 是千克的定义来源，可是仅仅3次使用就能造成质量变化，长期来看对测量质量这件事是很不方便的；而且，如果 IPK 的质量本身不稳定，随着时间的推移会发生变化，那么对于需要误差、、极低甚至完全没有误差的科学研究来说，又怎么能够接受呢？
这并不是吹毛求疵。一开始是称水，晃来晃去的，温度还变；后来变成了金属，不够坚硬，又升级到了合金——历史上每一次对千克的重新定义，都是在追求更高的精确度和稳定性，背后的推动力源自于技术和工艺的进步。正是这种进步，为人们带来了更加比之前更加精确的计量方法。
现在，科学界普遍认为下一次技术革新——量子革命——即将到来。你说，是不是更加精确的标准和定义方式，才能跟更深度、更前沿的科学探索配得上呢？
在千克之前，国际单位制里面其它6个基本单位早已不再依据实质物体来定义了。

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比如米，之前就是存放在巴黎的一根铂棒的长度，后来被修改成了光在1/299,792,458秒走过的距离。
光速又是怎么来的呢？其实还是光在一秒里穿过了多少根棒子长度的真空，然后再用算出来的光速反推米的长度。

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听起来简直是有病，但是这种重新定义在科学家看来仍然有很重要的意义。因为光速不变，反推得到米的长度也不变，但总有一天这根棒子会变短，无论因为什么原因——至少现在，我们得到了一个更加科学和精确的定义方式。
2011年，第24届国际计量大会的55名与会代表一致同意，开启重新定义千克的工作，采用普朗克常数来作为基准。
用简单的人话来讲，普朗克常数描述的是能量大小，单位是 J s 。你可以把它理解为圆周率，是一个固定不会改变的数值。
国际计量委员会提议，对普朗克常数进行如下定义：

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把 J s 转换为用千克、米和秒来表示，如下图。就像拿光速反推米那样，利用现有的 IPK 质量算出普朗克常数 h，再去反推千克就行了。

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科学家使用瓦特天秤测量普朗克常数图 | BIPM
如无意外，2018年11月16日，也就是本周五，第26届国际计量大会将会通过这项提案，并从2019年5月20日开始正式执行。
看到这里，你是不是只想知道，这次重新定义对我们普通人有什么关系？上菜市场卖肉，买到的比以前多了还是少了？
简单的答案是：毫无关系。
对千克进行重新定义，对于普通人使用这个计量单位不会造成任何影响，它更大的意义在于为接下来量子时代的科学研究铺设好道路，提前消除掉测量的不统一、不标准和不精确所造成的障碍。
稍微复杂一点的答案是：毕竟普朗克常数也是用现有的 IPK 推出来的，所以理论上，现在的一公斤跟2019年5月20日之后的一公斤，甚至跟一千年，一万年后的一公斤，都是一样重的。
如果届时人类还没灭亡的话……

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