【一磅等于多少斤】如何定义一公斤？爱因斯坦和量子理论，再度拯救了现代科学

星际战争打响，光粒和二向箔都只能算是常规武器，最令人恐惧的终极手段，莫过于给予对手改变物理规律的攻击！通过篡改对方宇宙的物理概念参数，使整个科学体系崩溃，达成一击必杀的效果。

星际战争示意图

2018年11月16日，地球。在这个日子之前，只需要一个普通的人类，徒手就能完成上述改造终极规律的攻击，给人类科学世界造成极度混乱。

我当然是在写科普而不是在写科幻，这到底是怎么一回事呢？容我喝杯水，给大家慢慢道来。

决定科学世界的七个基本物理量

日常生活中，我们会接触到各种“物理量”，无论你是否知道它们在物理学上被称为“物理量”，你都要和这些概念打交道。比如，长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率等等。

物理量有成百上千个，每个物理量都有若干个单位，为了更好的计量和测算，我们需要对每个物理量的每个单位给出准确的定义。

物理量概念

科学世界的建立，可以说离不开物理量以及单位的定义。早在近百年前，各国科学工作者们就意识到这件事情的重要性，他们在一起制定了一套计量体系，被称为“国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。

国际单位制中，最重要的一项成果就是规定了七个基本物理量和它们的“主单位”，并给出了这七个主单位的标准定义，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到。简单的说，现代科学的逻辑自洽以及数学基础，就来源于此。

七个基本物理量主单位

这七个基本物理量和它们的主单位分别是：时间单位 秒（s）、长度单位 米（m）、质量单位 千克（kg）、电流强度单位 安培（A）、热力学温度单位 开尔文（K）、物质的量单位 摩尔（mol）、发光强度单位 坎德拉（cd）。

一公斤定义的历史开端——一升冰水

人们最早定义这些物理量的单位大小的时候，采用的方法是简单粗暴，甚至漏洞百出。

限于篇幅问题，我们就以主单位中质量单位——千克——为例子，讲讲人类科学进步的曲折历史。

“一公斤”最初的单位名称是grave，而不是kilogram，这个词的发音源自法语。这个名词更早还可以追溯到拉丁语中，它指代的是重力的意思。

1793年，当时的物理学家们，将质量的国际主单位定义为：冰融化时（0摄氏度），一立方分米水的质量——就是现在的一升冰水的质量。在这个夏天回想起这个概念，令人心情不禁也稍微凉快了些吧。

水立方体

质量定义大家用得很愉快，但是grave这个名词却一波三折。因为人们很快发现这个单位太大了，于是他们一致同意修改为“克”——“grave”的一千分之一。但是同样的又很快，还是同一帮人，他们又又发现，“一克”，又实在是太小了。他们决定重新开始使用“grave”。但由于原来的名称不好继续沿用，他们只好重新再再再命名“公斤”为——kilogram——“千克”。

这也是为什么公斤是唯一一个带有前缀的国际主单位的缘由。

从一升水到一块金属

1799年，一公斤被重新定义为4摄氏度时一升水的质量——水的密度最大时的质量。水虽然在日常生活中随处可得，但水本身不易于保存而且明显的蒸发性，显然不是被用作一个质量标准的最合理的物质。

于是，有人制造了一个纯铂金圆柱体，它的质量与用水定义出来的一公斤相等，这个铂金圆柱体被命名为——“kilogram of the archives”——档案公斤。

一公斤砝码示意图

这个事件具有一个划时代的重要意义，这标志着，从此以后，“一公斤”不再与水一定体积下的质量有关了。

1889年，差不多90年后，人们用铂铱合金制造出一个圆锥，代替了之前的“一公斤”。这个新圆锥体虽然硬度比前面制造出的更大，但基本与原圆锥体相同，它就是人类科学历史上定义中的“一公斤”，它正式被叫做“国际公斤原器”。

国际千克原器

在一百多年前的那个日子里，人类历史上第一次真正解决了什么是“一公斤”这个定义。如果有同学提问，一公斤是什么？我们就可以把这个圆锥体拿出来，自豪的说，这就是全宇宙中，唯一一个质量为一公斤整的物质。因为它就是“一公斤”。

是不是有点——我就是我，不一样的烟火这样的感觉呢？

简单的说，“公斤”也是唯一一个，用一个指定物质，定义的国际主单位。

国际公斤原器的定义与困惑

“一公斤”从它诞生以后，科学家把它放置在三个钟罩下面保存，它的周边有6个“姐妹公斤”，这七个“一公斤”，在一个严格控制温度的保险库里面，开启这个保险库需要三把在不同人手中的钥匙，保险箱保存在巴黎郊外的国际计量局地下室里。

巴黎

所以真有外星人发动了对地球的攻击，它们只需要随便派一个普通的吃瓜群众，突破安保防御，进入到那个地下室，打开这个保险柜，就可以直接进行篡改“国际公斤原器”——破坏“一公斤”物理单位量的操作！他将切实的可以改变公斤的定义——一个人类很依靠的定义——就是这么简单直接！

这时候的世界会发生什么直接的变化呢？我很好奇为什么没有一部《速度与激情》或者《碟中谍》系列，将这个脑洞行动写进剧情中，这明显不科学啊！——其实现实没有那么夸张，或者导游们在科学方面的脑洞还没有能够开到如此之大。

现实之中，我们是否就安枕无忧了呢？事实并不乐观。

在制作出原器的同时，人们同时也做了40个相同的副本，这些副本虽然做不到完全和原器一模一样，但副本的质量跟原器极其相近，人们把那些偏差记录下来。这些副本被送至世界上各个国家，作为公斤的标准。

国际千克原器

1948年，各个“一公斤”被重新统一了起来。人们重新测量了这些“公斤原器”的质量，一个严重的问题出现了！

虽然所有的圆柱体都是用相同的一种合金做成的，几乎在相同的其他条件下保存，它们的品质差变大了。“国际公斤原器”的质量并不能跟它六个在相同条件下保存的“姐妹圆柱体”保持一致！其他四十个副本，它们品质差变得更大；相差最大的，甚至相差达到了50毫克——差不多一个手指印的质量。

可以推测出，一定有某种变化，将圆柱体的质量改变了。真实的原因是什么，科学家至今不得而知。我们唯一能够确定的是——就算是地球上最稳定的铂铱合金——所制作的圆柱体质量，也并不是一成不变的。

这是一件很糟糕的事情

这是一个比较严重的问题了，至少比同学们想象的还要糟糕得多。

虽然没有任何人秘密的潜入并篡改了原器，但是原器它们本身正在自我改变！而我们甚至不知道其中的原因。

科技之锁

地球的科学界不能接受有一个不断改变自己的单位。同时，问题不仅仅是质量单位的问题了，要知道，在7个国际主单位中，有四个单位取决于“一公斤”的质量！它们分别是摩尔、安培、坎德拉；更不用提像牛顿、焦耳、伏特、瓦特这种依靠推导出的单位了。如果连基本单位都在改变，那么人类的实验数据如何能够保持精确和统一？

这场定义混乱带来的灾难性后果有没有别的国家或者地区的人类可以幸免呢？在缅甸或者美国，他们用的质量主单位可是——磅！虽然“磅”并没有依赖于一个特定的物体——标准原器的“一磅”是不存在的；但是一磅的定义是整整0.45359237公斤！“一公斤”瞎了，“一磅”也是跑不了的啦。

人类的科学之路，是不是真的要被这个“主单位”的不确定性，而彻底锁死了呢？

量子理论和相对论拯救科学界

一直以来，不断地有同学质疑，究竟量子力学和相对论，特别是相对论——爱因斯坦的发现，到底有什么实际的应用？

在这里我将给出一个确定的答案——正是通过量子论和相对论，伟大的爱因斯坦，把物理学从某个角度，再度拯救了。

对，又是我，爱因斯坦

操作起来其实很简单，我们只要将主单位的定义，从特定物体层面解脱出来，使用物理意义上的常数代替就可以了。

质量单位千克（kg），对应普朗克常数为6.62607015×10^-34J·s（焦耳·秒）时的质量单位。

爱因斯坦指出，光子的能量只与它的频率有关，等于h，其中v是光子的频率，h就是普朗克常数。因此普朗克常数的单位是“焦耳·秒”，也就是kg*m^2/s。我们规定了普朗克常数精准等于6.62607015×10^-34J·s，再使用同时重新定义的m和s，就可以得到kg的精准定义了。

普朗克

长度单位米，基于十九世纪末麦克斯韦电磁学理论，和爱因斯坦狭义相对论的基础光速不变性，利用光速为常数给出的长度的更精准定义：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。

时间单位秒，则是量子论的发展，使得人们认识到量子化能级的存在，物质能态跃迁会辐射特定频率的光子，有了对于“秒”的精准定义：“铯－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期的9192631770倍的持续时间”。

通过定义真空中光速从而定义了“米”； 通过定义普朗克常数从而定义了“千克”。

这就是本质的科学定义，是符合自然规律的定义。我们的物理量，终于可以摆脱物质层面，站在自然规律级别的水平了。

这是值得每一个同学自豪的事情。

结语

在结束这篇文字之前，同学们不知道有没有注意到，还有一个问题值得引起我们的思考，那就是时间的主单位——秒。

时间的主单位——秒，到今天为止，我们仍然没有办法，通过基本物理规律或常数来进行定义。根据广义相对论，时间的流逝受到引力场的影响，空间和时间都可以改变。时间节奏是不确定的，我们目前根据铯原子钟的震荡的每个周期的时间来衡量时间等长的属性，这种依赖周期性运动而定义的时间，真能够体现时间的本质吗？

时间的本质到底是？

所以，时间的本质到底是什么？仍旧是一个没有确切答案的疑问。

同学们，你们觉得，时间是不是真实的存在，它的本质又是什么？欢迎留言讨论。

我是猫先生，只写能让人愉快阅读的科普，你值得关注。