一千克是多少斤(500克是一斤吗?)

本周五在巴黎有一个重要的会议——第26届国际计量大会(法语:conférence générale des poise et measures，简称CGPM)将在巴黎召开。

会议的主要议题之一是改变千克的定义。读到这里，我们先做一道选择题:

嗯，你认为哪个是正确答案？

从1889年开始，千克的世界标准是千克-千克(IPK)的国际原型，它是由铂和铱制成的圆柱体(直径和高度约39mm，由90%的铂和10%的铱合金制成)

当然不是这个蠢体重！

这是真正的IPK(有时称为“Le Grand K”，大K)，以千克为单位，用三层封面覆盖，存放在法国国际计量局(Bureau International des Poids et me sures)。

国际计量局简介

BIPM于1875年5月20日由17个国家签署的公制公约建立。目前，公制公约有51个成员国(中国于1977年加入)。该组织总部位于法国巴黎郊区塞夫勒。其土地享有治外法权，即国际公共区域，不受法国法律限制，与联合国办事处相同。BIPM是为维护国际单位制(SI制)而建立的三个组织之一。其目的是“确保根据公制惯例实施国际度量衡标准”。换句话说，BIPM负责维护国际单位制的准确性、校对和全球统一。

知识点又来了。国际单位制中有多少基本单位？

名称单位符号物理量

m长度

千克质量

秒时间

安培电流

开尔文k热力学温度

摩尔物质的量

坎德拉镉的发光强度

对于大多数人来说，他们对前三种都很熟悉。k和mol中学都学过，但最后的cd基本上没听过。

上面的基本单元图很重要。可以看到，目前千克是确定坎德拉、摩尔、安培的基础。限于篇幅，这里就不解释了。读者只需要记住，因为这个关系，如果改变了千克的定义，必然会影响到其他三个相关的基本单位。这个图表必须重新绘制。

接下来我们来谈谈这个IPK。相对于其他五个基本单位，似乎很容易想到如何仅凭直觉定义千克和米。不就是做一个恒重的东西定义为1kg，用同样的思路做一个特定长度的尺子定义为一米吗？但是，进一步想，这个恒重有多重？一袋沙子还是一袋金子？这个包应该有多大？包应该有多深？你想筛沙子吗？你想熔化黄金吗？很明显，沙子和黄金都不是好原料。水呢？如果水做的很干净，哇哈哈，农夫山泉还是有点甜的，然后温度控制好防止热胀冷缩，应该是不错的平均料吧？等等，温度？这不也是一个基本单位吗？怎么控制？良好的...。。水可以结冰，所以冰点是可以控制的。好了，差不多了。最后一个关键问题是，我们应该拿什么样的东西来装这适当的1公斤水？要解决这个问题，还需要解决另一个关键问题:确定一米的长度。鉴于确定一米长度的故事太长，作者决定单独开一个，叫做《七年之痒测一米》。。。不对，应该是“七年行程一米”。

有书为证，呵呵。

好了，水有了，设定好温度，量好尺寸，那么这个1kg就是体积为一立方分米的纯水在冰点下的重量(质量)。恭喜你，你已经达到了1793年科学家的水平。显然，上过中学的读者都知道温度控制太粗糙了，于是在1799年，温度被调整到了4摄氏度。

科学家永远是一群喜欢实话实说的人，他们也抽不出这个劲。在用一米的定义确定了千克的新定义后，科学家们开始打铁，制造出更坚固、更稳定、更方便的基本单位。毕竟一立方分米的小水块还不如一块高纯度的金属来保存。795年，用纯白金制成一公斤的样机，史称档案馆公斤。

然而，这个充当一公斤标准的圆筒，很快就被证明是“次品”。它在标准状态下实际上等于1.000028立方分米的纯水，所以如果以它为标准，一吨货物的实际质量是一吨28克。不完美！

这个问题持续了近90年，直到1879年，英国金属铸造公司Johnson Matthey(庄信丰丸)采用新方案，制作了三个直径约39mm、高约39mm、内含90%铂和10%铱合金的圆柱体，即千克原型，分别命名为KI、KII和KIII。后来，KIII在测试中脱颖而出。1889年，第一次国际计量大会被正式确认为世界上第一个也是唯一一个IPK。同时，公斤的定义改为“IPK的质量”。

祝贺基尔成功加冕

事实上，铸造公司Johnson Matthey在1884年也制作了40件千克原型(和30件大米原型)。BIPM选择保留其中的6件，并将另外34件寄给了《公制公约》的成员国。由于这些千克原型非常昂贵，我们决定保持它们的安全，每40年将它们送回BIPM和IPK进行验证，以确保它们仍然保持一千克的质量。随着国际单位制的推广和公制公约国家成员的增加，更多公斤的原料被生产和分配，许多国家为了保证安全会多保留一公斤。例如，中国的国家公斤标准是数字为60的公斤原型，BIPM在1965年验证了这一标准，但中国仍然保留着数字64。从衡量上来说，美国是最尴尬的。它整天守着它的磅和加仑，守护着古老的英国古董。英国的人1995年就放弃了！但就是这样一个倔强的家伙，手里却握着5公斤的原始工具，是除了法国之外拥有原始工具公斤数最多的国家。

然而，问题还远远没有解决。如前所述，每隔40年，每个成员国的原始公斤数都要“回娘家探亲”，洗澡换衣服，称体重，保证准确无误。这是一项极其繁琐复杂的工作。

上图是1948年和1989年两次校对部分千克样机的结果。可以看出，大多数千克原型的“重量”略有增加，但一些千克原型，如K4，因为它们是频繁使用的测试标准，所以会磨损。记录显示，在110年里，与IPK相比，它“减肥”了41微克。BIPM也一直在密切监视自己的IPK和六个官方副本，并分别在1946年、1991年和2014年对它们进行了清洗。尤其是2014年的这一次，其目的是回应改变千克定义的建议，证明这种物理存储方式并不是一个准确可靠的标准。

梅特勒-托利多的m-one真空质量比较仪-质量比较仪，用于2014年的校准。

下图显示了六份正式副本与IPK相比的质量偏差趋势。

可以看出，每个拷贝质量不断变化，

上图是BIPM做的另一个实验:检测清理官样和IPK后十个月内质量的波动。可见IPK也未能幸免。

总之，根据以上实验数据，可以得出结论，世界各地的原型都缓慢但不可避免地发生了质的变化。同样清楚的是，与官方副本相比，IPK的质量在上个世纪可能下降了50微克或更多。物理学家无法提出合理的机制来解释这种漂移，无论是IPK质量的稳定下降，还是分散在世界各地的千克原生动物质量的增加。现在的千克计量方式确实落后，与时代的进步严重脱节，需要淘汰。

事实上，呼吁改变千克计量方法的声音最早出现在2005年的国际计量委员会年会上。提出这一建议的另一个原因来自于另一个基本单位“米”的定义的发展变化。前面说了，原来是和40公斤的原装置一起铸的，有30米的原装置。然而，科学技术突飞猛进。1960年，原来的米被正式废弃，改为量子物理的定义:特定原子能级跃迁波长的倍数(在《七年旅程中的一米》一文中再次解释)。1983年，米的定义再次更新，定为“光在真理中行进的距离空是1/299792458秒”(注意这里说的是秒，是另一个基本单位。好一个循环！)。

看人家的“大米”以光速飞行，IPK简直太低了。我们必须拥抱量子物理学的粗腿。2011年的国际计量大会原则上同意用普朗克常数重新定义千克，并决定将原定于2015年召开的第25次会议提前至2014年，届时将做出最终决议。然而，在2014年，科学家发现现有的实验数据还不够完善，因此决定推迟在今年的会议上进行最终投票。目前要讨论和通过的新定义是:

普朗克常数h定义为6.62607015×10-34kg·m2s-1。

什么？！这是什么？不能理解！退款！

老实说，作者和大多数读者一样，对此一无所知。这和一公斤土豆有什么关系？！

要理解这个定义，还得回到中学物理课上。普朗克常数是H，是描述能量量子大小的物理常数。1900年，马克斯·普朗克发现每一个能量量子都等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。这个关系叫做普朗克关系，普朗克关系用方程表示:E = HV

其中E是光子能量，H是普朗克常数，V是光子频率。E读者应该能想到另一个著名的公式:E =mc2。爱因斯坦告诉我们，能量与质量和光速有关。

如果把上面两个公式结合起来，mc2=hv，千克和普朗克常数有关系吗？不幸的是，这两个E的意思不同，所以我们不能这样做。但是这两个公式也是有联系的。他们解释说，能量、质量、速度和频率是相关的。所以普朗克常数的单位是kg·m2s-1。有了米和秒的精确定义，千克的精确定义就成为可能。其实对于大部分和笔者一样吃瓜的人来说，理解到这个程度就够了，然后就可以完全放弃内容了。因为一个极其复杂的仪器:Kibble balance——精确测量普朗克常数需要Kibble Balance。

NIST-4粗粮天平-美国国家标准与技术研究所的粗粮天平

Kibble天平实验有多难？2012年，《自然》将其列为物理学最难的五个实验之一，仅次于寻找上帝粒子和引力波(有趣的是，现在三个实验都成功了！)。通过Kibble天平实验，可以得到质量与普朗克常数关系方程中的所有值。但是要满足BIPM的要求，实验的最终偏差应该小于50 ppb，也就是十亿分之50。最终在2017年，美国、加拿大和法国的四项实验数据满足了这一严苛的要求，从而为周五计量大会对千克定义的修订提供了坚实的数据支持。

有趣的是，普朗克常数定义的千克并不是唯一的候选解。另一组科学家试图用另一个科学常数阿伏伽德罗常数来定义千克。阿伏伽德罗常数的概念，中学化学大家都接触过。它与粒子的摩尔质量(即一摩尔的质量)及其质量之间的比例常数有关。阿伏伽德罗常数用来表示一摩尔物质所含的基本单位(如分子或原子)的数量，其值为:6.022140857(74)×1023，括号内的74表示测量值的波动范围。这种方法更容易理解。如果能保证某种元素物质的高纯度，那么只要知道准确的阿伏伽德罗常数，就能准确地做出千克的标记，反之亦然。下图是由硅28制成的世界上最圆的一千克球体。

通过它，科学家测量了阿伏伽德罗常数，其精确度与普朗克常数相当。可惜这个方案最后没有被选中。

在我写这封信的时候，我听说大会已经投票赞成改变千克的提议。那么我们来看看新的基本单元图:

与之前相比，千克由普朗克定义，并“受制”于米和秒。开尔文和坎德拉将“受制”于千克，安培将“计入”秒，摩尔将与阿伏伽德罗常数一起单飞。

最后说说大家最关心的问题:这种变化对我们的日常生活有什么影响？答案是:

但唯一值得同情的是中学物理老师和刚上高中的孩子们。教科书必须被改变。。。。