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。

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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:

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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。

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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。

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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。

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