一千克有多重?1,000克。2.20462磅。按旧英制重力单位制计算,则为0.0685斯勒格。但这个量究竟从何而来?人们又如何确保使用的是同一种度量标准?
自1889年以来,作为……成员的国家国际计量大会一直同意采用一个存放在巴黎附近的标准金属块来定义千克。但尽管现代标准块保存在高度受控的环境中,其质量仍可能发生微小变化:磨损会使它失去质量,污垢则会使质量增加。为了解决这一问题,世界各地的科学家近二十年来一直在讨论,能否改用自然界恒定的测量值来定义千克。如今,他们终于作出了决定。
第一个千克(最初称为“grave”)于1793年由法国科学院的一个委员会定义。委员会希望找到比传统固定谷物数量更好的标准。他们决定,新单位应等于4℃时一立方分米蒸馏水的质量(在标准条件下,水在这一温度时密度最大)。这样做的好处是,大多数设备齐全的实验室都能复现这一标准。随后,人们用黄铜铸造了代表这一质量的原型。
遗憾的是,这一定义所依据的质量取决于另一个会变化的测量值——米。当时,米仅被暂定为从北极到赤道距离的一部分。后来,米的数值以及水密度最大时的温度得到更准确的定义,千克也不得不随之更换。于是,人们用铂铸造了新的原型来代表这一质量。
后来,这一原型被如今使用的国际千克原器(IKP)取代。原器由铂铱合金铸成,质地坚硬,不易与氧气发生反应。国际计量局将国际千克原器及其六个复制品保存在法国巴黎附近圣克卢的布勒特伊宫,作为测量参照。国际千克原器的复制品被运往世界各地,以确保所有参与国使用同一标准。
但即使是现代国际千克原器,其质量也会逐渐变化。国际计量局提出的彻底解决方案,是全面修订千克以及科学中使用的所有其他基本计量单位的定义(这些单位称为SI单位,名称源自法语“国际单位制”)。
我们不必再以存放在保险库中的标准块为参照来测量千克,而可以根据自然常数的精确数值来定义它。确定这一新定义花了很长时间,因为我们必须能够以极高的精度测量这些常数,不确定度为30亿分之一(也就是说,测量精度达到单位的0.00000003)。

科学家其实已经为时间和长度采用了这种方法。秒不再是地球自转所需时间的一部分,因为地球自转速度可能加快或减慢。现在,秒被定义为铯-133原子释放特定能量辐射所需的时间。具体而言,一秒等于铯-133原子基态超精细能级之间的9,192,631,770次跃迁。无论何时何地测量,结果都相同。
随后,科学家得以重新定义米,将其与秒以及另一项自然常数——真空中的光速(c)联系起来。科学家测得光速为每秒299,792,458米。因此,现在一米被定义为光在1/c秒内行进的距离。
千克的新定义采用了另一项自然界固定数值的测量值:普朗克常数(h),其数值将定义为6.62607015×10−34焦耳秒。普朗克常数可通过光粒子(即“光子”)携带的能量除以其电磁频率得出。
普朗克常数通常以焦耳秒为单位测量,但也可以表示为千克平方米每秒。根据其他定义,我们已知秒和米的含义。因此,将这些测量值结合起来,再加上对普朗克常数的精确认识,就能得到一个全新且极为精确的千克定义。
其他单位
新定义的制定之所以耗时如此之久,部分原因是科学家必须研制极其精密的仪器,以足够高的精度测量普朗克常数。这种方法也颇具争议,因为它将切断千克与其他SI基本单位之间的联系,尤其是与摩尔的联系。摩尔根据物质所含粒子的数量来衡量物质的量。因此,有些科学家提出了替代方法。
但在一次象征性投票之后,国际计量局和世界各国国家计量机构将采用千克的新定义,同时采用其余SI基本单位的新定义,包括摩尔、开尔文(温度)、安培(电流)和坎德拉(发光强度)。
尽管计量定义有所修订,大多数人的日常生活仍将照常进行。一袋标准包装的糖,含糖量仍和过去一样。但其中一些变化,例如开尔文的定义变化,将为进行极精密测量的科学家带来实际好处。而要回答“一千克有多重”这个问题,我们也不再需要拿铂块进行比较,或担心把它们刮伤。

