一公斤不再等於一升水，剛生效的“千克”新定義到底啥意思？_風聞

​2019年5月20日，質量單位“千克”的新定義開始生效。這在科學界是件大事，因為現行定義將以往透過測量得知的普朗克常量定為一標準值，使質量單位（千克）和長度單位（米）、時間單位（秒）相互關聯，即透過普朗克-愛因斯坦關係式將光子的能量與它的頻率聯繫起來。

太複雜了？讓我們重新來一遍。

以前，大家所熟知的“千克”的定義是——4 ℃時一立方分米水的質量。大概就像這樣：

稱量一立方米水的質量

這是1799年法國科學家提出來的。當時，他們以這個標準制作了純鉑的千克原器作為1千克的國際標準。到了十九世紀七十年代，人們開始意識到鉑銥合金更加穩定，於是科學家們又製造了一批材質為鉑銥合金的標準砝碼。到了1889年，第一次國際計量大會選了其中一個最接近原來純鉑原器的砝碼作為新的千克原器，而它就是後來我們一直使用的“1千克”的實物標準。該砝碼被保存在兩口鐘形罩內，存放於國際計量局的保險箱中，避免它受到外界影響。

保險箱中的國際千克原器

這樣的千克定義雖然簡單，但是卻存在一些根本性的問題。首先，為避免對國際千克原器造成損傷，就不能經常拿出來使用，這給各種實驗室的測量工作帶來了很大不便。其次，受限於製造工藝，砝碼的質量可能存在誤差。而且由於材質本身的限制，砝碼的質量還會隨着時間推移發生變化。物理學中諸多的東西都與千克有關，例如力學單位牛頓，功率單位瓦特，能量單位焦耳等。因此，千克原器的質量變了，就意味着世上所有物體的質量（讀數）都會發生改變。哪怕變化幅度很小，都會引起其他物理量定義的混亂。

國際千克原器複製品

為了有效杜絕這種混亂，早在2005年，國際計量委員會就已經建議用基本物理常量為基礎，對“千克”進行重新定義。該提議在2011年國際計量大會上得到全票通過。

這個建議背後的思路是這樣的——儘量脱離人工製品，將基本單位儘可能地往自然常數上靠。這個思路的實現方法是：先通過理論將物理量和某個自然常數聯繫起來，然後通過各種實驗儘可能精確測量這個自然常數，最後用測量值反過來定義這個物理量。比如我們發現真空光速是不變的，是一個自然常數。而此前秒已經通過銫原子振盪週期重新定義過了，所以之後就用光速的測量值299792458米每秒反過來定義，1米為光在1/299792458秒內走過的距離。

2018年國際計量大會決定，使用以普朗克常數為基礎的公式作為“千克”的新定義。新定義已於2019年5月20日生效。

那麼問題來了，普朗克常數到底是什麼？它又是怎麼定義“千克”的？

普朗克常數是一個描述量子大小的物理常數。它是一個叫馬克斯·普朗克（Max Planck）的德國物理學家在研究物體熱輻射規律時發現的，普朗克本人更是因此獲得了1918年諾貝爾物理學獎。

馬克斯·普朗克(1858-1947)

在當年的研究中，普朗克發現計算結果與實驗結果對不上，只有假定物體放射和吸收的電磁波不是連續行的，而是一份一份地的，兩種結果才能對上。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等於普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率。這種能量與頻率之間的關係稱為普朗克關係，其方程式為：

普朗克關係式：E是能量，h是普朗克常數，v是頻率。

而作為物理學中最基本的常數之一，普朗克常數的值是可以被精準測量的：

普朗克常數

用“普朗克常數”來定義“千克”的原理是——將移動質量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數表達的電磁力，再通過質能轉換公式算出質量。這樣，恆定的自然常數就與人為單位相連接到了一起。所以，在定義了什麼是1秒和什麼是1米的情況下，1千克就是：

用普朗克常數來定義千克

還是不懂？沒關係，我們最後再來一次！

最初，我們把“1千克”定義為1立方分米（1升）水的質量。

↓

科學家以此為標準做了名為“國際千克原器”砝碼，

成為了公制體系中“1kg”的重量標準。

↓

後來大家發現這麼搞各種不方便，還會出錯。

量不準在物理學上可了不得嘞！

↓

於是有人提議，乾脆把“千克”掛到某個物理常數上，

這樣只要儘可能地精準測量這個自然常數，

就能用測量值反過來定義“千克”這個物理量啦！

耶~

↓

然後大家湊一起開會，都覺得不錯就同意了，

還拍板了“普朗克常數”作為標準值：

↓

現在“千克”的定義，從稱這個：

變成了算這個：

換成人話——1千克=普朗克常數h乘以1034/6.62607015****秒每平方米所得的質量。

如果你已經看懂了，恭喜！

現在，去為你還在讀小學的孩子解釋什麼是“千克”。