一公斤不再等于一升水，刚生效的“千克”新定义到底啥意思？

​2019年5月20日，质量单位“千克”的新定义开始生效。这在科学界是件大事，因为现行定义将以往透过测量得知的普朗克常量定为一标准值，使质量单位（千克）和长度单位（米）、时间单位（秒）相互关联，即透过普朗克-爱因斯坦关系式将光子的能量与它的频率联系起来。

太复杂了？让我们重新来一遍。

以前，大家所熟知的“千克”的定义是——4 ℃时一立方分米水的质量。大概就像这样：

称量一立方米水的质量

这是1799年法国科学家提出来的。当时，他们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。到了十九世纪七十年代，人们开始意识到铂铱合金更加稳定，于是科学家们又制造了一批材质为铂铱合金的标准砝码。到了1889年，第一次国际计量大会选了其中一个最接近原来纯铂原器的砝码作为新的千克原器，而它就是后来我们一直使用的“1千克”的实物标准。该砝码被保存在两口钟形罩内，存放于国际计量局的保险箱中，避免它受到外界影响。

保险箱中的国际千克原器

这样的千克定义虽然简单，但是却存在一些根本性的问题。首先，为避免对国际千克原器造成损伤，就不能经常拿出来使用，这给各种实验室的测量工作带来了很大不便。其次，受限于制造工艺，砝码的质量可能存在误差。而且由于材质本身的限制，砝码的质量还会随着时间推移发生变化。物理学中诸多的东西都与千克有关，例如力学单位牛顿，功率单位瓦特，能量单位焦耳等。因此，千克原器的质量变了，就意味着世上所有物体的质量（读数）都会发生改变。哪怕变化幅度很小，都会引起其他物理量定义的混乱。

国际千克原器复制品

为了有效杜绝这种混乱，早在2005年，国际计量委员会就已经建议用基本物理常量为基础，对“千克”进行重新定义。该提议在2011年国际计量大会上得到全票通过。

这个建议背后的思路是这样的——尽量脱离人工制品，将基本单位尽可能地往自然常数上靠。这个思路的实现方法是：先通过理论将物理量和某个自然常数联系起来，然后通过各种实验尽可能精确测量这个自然常数，最后用测量值反过来定义这个物理量。比如我们发现真空光速是不变的，是一个自然常数。而此前秒已经通过铯原子振荡周期重新定义过了，所以之后就用光速的测量值299792458米每秒反过来定义，1米为光在1/299792458秒内走过的距离。

2018年国际计量大会决定，使用以普朗克常数为基础的公式作为“千克”的新定义。新定义已于2019年5月20日生效。

那么问题来了，普朗克常数到底是什么？它又是怎么定义“千克”的？

普朗克常数是一个描述量子大小的物理常数。它是一个叫马克斯·普朗克（Max Planck）的德国物理学家在研究物体热辐射规律时发现的，普朗克本人更是因此获得了1918年诺贝尔物理学奖。

马克斯·普朗克(1858-1947)

在当年的研究中，普朗克发现计算结果与实验结果对不上，只有假定物体放射和吸收的电磁波不是连续行的，而是一份一份地的，两种结果才能对上。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。这种能量与频率之间的关系称为普朗克关系，其方程式为：

普朗克关系式：E是能量，h是普朗克常数，v是频率。

而作为物理学中最基本的常数之一，普朗克常数的值是可以被精准测量的：

普朗克常数

用“普朗克常数”来定义“千克”的原理是——将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。这样，恒定的自然常数就与人为单位相连接到了一起。所以，在定义了什么是1秒和什么是1米的情况下，1千克就是：

用普朗克常数来定义千克

还是不懂？没关系，我们最后再来一次！

最初，我们把“1千克”定义为1立方分米（1升）水的质量。

↓

科学家以此为标准做了名为“国际千克原器”砝码，

成为了公制体系中“1kg”的重量标准。

↓

后来大家发现这么搞各种不方便，还会出错。

量不准在物理学上可了不得嘞！

↓

于是有人提议，干脆把“千克”挂到某个物理常数上，

这样只要尽可能地精准测量这个自然常数，

就能用测量值反过来定义“千克”这个物理量啦！

耶~

↓

然后大家凑一起开会，都觉得不错就同意了，

还拍板了“普朗克常数”作为标准值：

↓

现在“千克”的定义，从称这个：

变成了算这个：

换成人话——1千克=普朗克常数h乘以1034/6.62607015秒每平方米所得的质量。

如果你已经看懂了，恭喜！

现在，去为你还在读小学的孩子解释什么是“千克”。