出品_科普我國(guó)

制作_陳星

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11月16日，四年一度的第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將在巴黎凡爾賽宮舉行，屆時(shí)，數(shù)百名科學(xué)家將以精確穩(wěn)定的物理常數(shù)重新定義"千克"。

目前，1千克的定義就是"國(guó)際千克原器的質(zhì)量"，這個(gè)原器存放在位于巴黎的國(guó)際計(jì)量局的保險(xiǎn)柜里。千克是目前國(guó)際單位制基本單位中唯一仍使用實(shí)物進(jìn)行定義的單位。其他的六個(gè)基本單位是米（長(zhǎng)度），秒（時(shí)間），開爾文（溫度），安培（電流），摩爾（物質(zhì)的量）和坎德拉（發(fā)光強(qiáng)度）。

千克定義的演變史_從實(shí)物到基本物理常量

千克最初的定義是4 ℃時(shí)一立方分米水的質(zhì)量，這是1799年由法國(guó)科學(xué)家提出來的，并以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制作了純鉑的千克原器作為1千克的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。過了將近一個(gè)世紀(jì)，由于鉑銥合金更加穩(wěn)定，1889年科學(xué)家們用鉑銥合金代替了純鉑的千克原器，然后這個(gè)千克原器一直被使用到現(xiàn)在。也就是說，我們使用的千克的定義一直是以國(guó)際千克原器這個(gè)實(shí)物為標(biāo)準(zhǔn)的。這樣的千克定義雖然簡(jiǎn)單，但是卻存在一些根本性的困難。

國(guó)際千克原器

首先，通過長(zhǎng)時(shí)間的觀察，人們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)物的保存并不容易。盡管保存條件幾乎無可挑剔，但是國(guó)際千克原器的質(zhì)量還是會(huì)隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生微小的變化，這是一個(gè)問題。因?yàn)榍Э嗽魇乔Э硕x的基準(zhǔn)，她質(zhì)量的改變意味著其他所有東西質(zhì)量的改變。

另外一個(gè)問題就是，為了避免對(duì)國(guó)際千克原器造成損傷，國(guó)際千克原器不能經(jīng)常性使用，這就給不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)千克的測(cè)量帶來很大的不便。

物理學(xué)中諸多的物理量都和千克有關(guān)，例如牛頓（力學(xué)單位），瓦特（功率單位），焦耳（能量單位）等，因此，千克原器任何輕微改變都會(huì)引起其他物理量定義的混亂。

為了有效杜絕這種混亂，早在2005年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）就已經(jīng)建議以基本物理常量為基礎(chǔ)，對(duì)千克進(jìn)行重新定義。 在2010年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)決定，以普朗克常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義千克，之后2011年國(guó)際度量衡大會(huì)同意了該提議，并計(jì)劃在2018年正式實(shí)施。

普朗克常數(shù)創(chuàng)始人馬克斯·普朗克

普朗克常數(shù)_重新定義千克

要用普朗克常數(shù)對(duì)千克進(jìn)行重新定義，就需要對(duì)普朗克常數(shù)進(jìn)行更為精確地測(cè)量，目前這一工作正在進(jìn)行當(dāng)中。普朗克常數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值已經(jīng)從6.626 070 040 x 10^-34 kg?m^2/s變?yōu)?.626069934 x 10^-34 kg?m^2/s，不確定度從0.000000081 × 10^?34提高到了0.000000013 × 10^?34。得到精確的普朗克常數(shù)之后，就可以使用瓦特天平來對(duì)質(zhì)量進(jìn)行精確地測(cè)量。

那么為什么要用普朗克常數(shù)重新定義千克呢？原因如下_普朗克常數(shù)是物理學(xué)中最基本的常數(shù)之一，而且和她有關(guān)的量可以較為精確地測(cè)量，這也就意味著普朗克常數(shù)也能被精確地測(cè)量。

瓦特天平是一套十分復(fù)雜的平衡系統(tǒng)

普朗克常數(shù)的單位是m^2 kg / s，除了kg之外，其他長(zhǎng)度（m）和時(shí)間（s）都有著很好的定義，且易于測(cè)量，因此選用普朗克常數(shù)來定義千克是一個(gè)比較好的選擇。而且新定義很容易被世界各地的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)，因?yàn)橹灰獡碛幸慌_(tái)瓦特天平，根據(jù)普朗克常數(shù)將相應(yīng)的儀器參數(shù)設(shè)置正確，那么得出的質(zhì)量就是一千克，這將會(huì)大大方便不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)質(zhì)量的精確測(cè)量和使用。

當(dāng)然，日常生活中使用的千克并不受影響，因?yàn)檫@樣的定義并沒有改變?cè)星Э说拇笮。皇菍⑶Э说亩x基礎(chǔ)改變了，使她變得更容易重復(fù)和使用，更加穩(wěn)定。