一升和千克什么关系

上周五，即2018年11月16日，来自60多个国家的代表聚集在巴黎举行的第26届国际测量标准大会上，通过了修改现有千克定义的提案。

新定义将自 2019 年 5 月 20 日起正式生效，届时，千克依靠物理实体，至今沿用了约 130 年的定义方式将被一种以自然常数之一，普朗克常数为基础的定义方式所取代。

虽然新千克并不会让超市里的一公斤白菜变多或变少，但解除国际标准单位对物理实体的依赖，将它们以自然常数进行定义，或许宣告着人类科学真的已经进入了一个新纪元。

千克的起源

千克（Kilogram）一词的起源要从大革命时期的法国说起。当时，法国的新政府成立了一个度量制改革委员会，旨在废除腐朽旧政府的度量标准，为人们日常生活以及科学研究中常用的物理量建立一个新的国际标准。该委员会由当时法国众多名望颇高的科学家组成，其中就有著名化学家，有“现代化学之父”之称的安托万拉瓦锡（Antoine Lavoisier）。

拉瓦锡于 1791 年提出，将质量（mass）的标准单位定义为一立方分米水在 0 摄氏度时的重量，也就是一升冰水混合物的重量，并将这一单位重量命名为了“Grave”（源自拉丁文中的“重量”一词，“Gravitas”）。

该定义虽乍看没什么问题，但由于拉瓦锡的贵族背景，以及其在旧政府时期曾任政府税务专员的仕途经历，拉瓦锡很快（1793 年 8 月）就被新政府解除了其在委员会的职务，并于 1793 年 11 月被捕入狱，最终在 1794 年 5 月被送上了断头台。而由于“Grave”在法语中的发音与“Graf”类似，也就是法语中的“伯爵（贵族头衔之一）”一词，提倡平等自由的法国革命政府后来自然舍弃了这一由旧贵族所定的“旧”重量标准，改用重量为原 Grave 定义重量的千分之一为重量基本单位，并将其重新命名为了“Gramme”（后来英文里的 gram，也就是中文里的“克”）。

然而，新政府很快就发现，采用原 Grave 定义重量的千分之一作为基本重量单位实在是太小了，给很多事情都带来了不便，但新政府又不能明目张胆地重新采用由旧贵族拉瓦锡所制定的标准，于是便发明了“Kilogramme”，也就是法语中的“千克”一词，意指“一千个 Gramme”，而英文里的千克一词“Kilogram”也正是由此而来。

后来，到了 1799 年，由于水在 4 摄氏度时密度约为最大，千克的定义又被改为了一升水在 4 摄氏度时的重量，但由于水毕竟是一种液体，杯子里晃晃就出去了，并不是一种理想的重量衡量方式。所以，人们在 1799 年制造了一个重量与 4 摄氏度下一升水重量大抵相当的金属块，并以此再次重新定义了千克，而这个金属块，便是后来按“一方米水处于最大密度的温度气压环境时的重量”为标准，于 1889 年用铂-铱金属（platinum-iridium）所铸的“国际千克原件（IPK，the International Prototype Kilogram）”前身。

图丨存放于巴黎的国际千克原件（来源：voanews.com）

而自国际千克原件于 1889 年诞生后，以此为定义的千克便一直被沿用至今。国际千克原件会每 40 年左右与存放在世界各地的“副本”进行比较，以保证该定义方式的精准性，但在 1948 年的比较过程中，科学家们发现，国际千克原件的重量与各副本所衡量的一千克重量存在明显差异，甚至各个副本所衡量的一千克重量也有所不同，而这种差异则在 1990 年的比较过程中被发现“有了进一步的扩大”。

而这个重量差异问题说明，虽然国际千克原件和各个副本都以相同的严格条件被仔细地保存着，但这些金属块的重量还是会因不明原因而流失，导致一些科学家得出了“依靠物理实体定义千克的做法并不可靠”的结论，并由此引发了后来一些科学家对“更新千克定义”的呼吁，进而最终造就了上周国际度量标准大会投票通过的新定义。

新的定义

新定义由一个化学测量方法和一个物理测量方法组成，由于在两种方法中科学家们都需要先借助现有的千克定义将自然常数固定为一个确定的值，再以此值定义千克，两种方法实际上起到的是一种“验算”作用，确保以自然常数定义千克的方法确实可靠。

其中，化学测量方法的官方名称为“阿伏伽德罗计划（the Avogadro project）”，涉及用世界上最圆的球体之一重新定义阿伏伽德罗常数（the Avogadro constant）。该球体只由硅-28（硅的一种同位素）构成，科学家们则能用该球的体积和硅的原子间距信息能够精确算出构成该球体的硅原子数量，并以此重新定义阿伏伽德罗常数，再以此根据阿伏伽德罗常数的常规定义，“12 克的碳-12 中所包含的碳原子数量”反过来重新定义千克。

图丨只由硅-28 构成的世界上最圆的物体之一（来源：ni）

物理测量方法则涉及用一种名为“基布尔称（Kibble Balance）”的实验仪器精准测量普朗克常数。基布尔称虽然在设计和外观上与传统的称甚是不同，但其工作原理与传统的称类似，都是同过平衡两个物体的重量来通过已知重量侧得未知重量，区别在于基布尔称的实际原理要更为复杂。

图丨基布尔称示意图（来源：re）

基布尔称有称重和速度两个工作模块，科学家会先在称重模块（下图的左半边）中将重一千克的物体放在仪器的一个称重托盘中，让基布尔称根据该物体的重量在一个可移动线圈中生成能产生与该物体重力相抵电磁力的电流，然后从称重盘上取走物体，让速度模块中（下图的右半边），之前被物体抬起的悬挂质量下移，该悬挂质量与称重模块中的可移动线圈相连，导致线圈在磁场中上下移动切割磁感线，进而在该线圈中产生出一个感应电压，而科学家则能根据该电压与磁场强度、线圈长度和线圈移动速度间的关系，将该电压与此前生成与物体重力相当电磁力的电流联系起来，再利用由“该电流产生的电磁力与物体重力相当”这一信息将重力与感应电压联系起来，并通过化简得出一个电功率（电压乘以电流）与机械能（质量乘以重力乘以速度）间的关系，再以此通过一种由被一个绝缘体薄片分开的两个超导体构成，名为“约瑟夫节点（Josephson junctions）”的电路设计，利用“该电路设计能产生在数值上与普朗克常数有关的特定电压”将电压和普朗克常数联系起来，进而以一千克的物体为基础精确测量与之相对应的普朗克常数取值，以此固定普朗克常数的取值，再以此值永久定义一千克的重量。

图丨约瑟夫节点示意图（来源：）

总的来说，虽然新定义或许不会对我们的日常生活构成什么影响，但以自然常数定义千克的方法将会帮助我们避免基本度量单位的取值不定情况发生，为科学家门带来一个更为自治的单位系统，助力研究顺利进行。

在国际标准单位中，很多量的定义都涉及质量，而质量的定义则直接决定了这些量的可靠性，比如衡量物质的量的单位摩尔（mole）的定义与阿伏伽德罗常数有关，而阿伏伽德罗常数的定义又与质量有关。

而在实际研究中，一些量的初始误差在经过许多运算后可能会被放大很多倍，导致结果数据无效，而这对许多理论来说是致命的，比如在一些物理模型中，能量上的微小偏差能够直接导致一个假想宇宙的毁灭，或是物理法则的变化。

或许，通过用自然常数以一种“永恒”的方式重新定义国际标准单位，就像“人类最初意识到描述自然及宇宙需要定义一些基本量”一样，象征着人类科学的一个新起点。