羅鋒

“千克”是國際單位制中7個基本SI單位之一，用來表示質(zhì)量。人們往往用它來計(jì)量物體的重量，是使用最為廣泛的計(jì)量單位之一，那么一千克到底有多重，它又是如何定義的呢？

“千克”的來歷

眾所周知，“千克”一詞為舶來詞。而“千克”由來也要從重量符號的統(tǒng)一說起，它與國際米制公約是分不開的。

國際米制亦稱萬國公制，創(chuàng)始于法國。1789年之前，法國的度量衡制度混雜，所用度量衡器具參差不齊。法國大革命后，一名叫De Tollgraeand的法國人上書國民議會，詳盡闡述了度量衡舊制的各種弊病，請求劃一。1790年，剛剛走上政治舞臺的法國資產(chǎn)階級，以其特有的敏銳，意識到度量衡統(tǒng)一的重要性，立即要求法國科學(xué)院，一邊整理度量衡舊制，一邊開始創(chuàng)立“萬世不變”的度量衡新標(biāo)準(zhǔn)。法國的這一舉措，翻開了近代計(jì)量的新篇章。這就是赫赫有名的“米制公約”，米制規(guī)定了長度主單位（metre）、容量主單位（litre）、重（質(zhì)）量主單位（kilogramme）的基本量值和十進(jìn)制進(jìn)退位的原則。

1791年，法國國民議會表決通過了科學(xué)院的提議，規(guī)定開羅格蘭姆（Kilogramme）的重量，等于1立方分米純水在密度最大時（4攝氏度）的重量（或質(zhì)量），這便是“千克”最初的定義，也是“千克”的由來。到了1883年，法國用90%的鉑和10%的銥所組成的鉑銥合金，制成了直徑和高都為39毫米的圓柱體千克原器，并于1889年被第一屆國際計(jì)量大會所承認(rèn)，成為國際千克原器，在1901年第三屆國際計(jì)量大會上被正式定義。該原器100多年來一直被保存在國際計(jì)量局的地下室，被精心地安置于有三層鐘罩保護(hù)的托盤上（如圖1）。

“千克”走進(jìn)中國

19世紀(jì)中葉，萬國公制開始傳入中國，度量衡名稱最初完全采用譯音，如metre 譯為米突、litre 譯為立特、kilogramme 譯為開羅克蘭姆等。這些命名僅在折算時使用，并不要求公民熟知。當(dāng)時的北洋政府認(rèn)為音譯命名與中國傳統(tǒng)的度量衡單位名稱相去甚遠(yuǎn)，不便于新制的推廣。于是提議用意譯法，即用中國度量衡舊制的尺、升、斤等名稱，借用“萬國公制”中的“公”字冠以詞首，擬定了以“公尺、公升、公斤”為基本單位的國際權(quán)度制單位中文名稱系統(tǒng)。隨著政局動蕩，軍閥割據(jù)和混戰(zhàn)局面的出現(xiàn)，當(dāng)時的度量衡成為泡影。南京政府成立伊始頒布了《度量衡法》，其中規(guī)定重量中西對照如圖2：

至此，我們可以繪制出中國度量衡量值表，如圖3所示：

新中國成立后，中國各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展開始了一個新的階段。新中國伊始，中心任務(wù)就是恢復(fù)國民經(jīng)濟(jì)正常秩序，安定人民生活，這就離不開統(tǒng)一計(jì)量的保證。1953年，溫州人姜周元寫信給當(dāng)時的《浙南大眾報》（溫州日報前身），建議衡器10兩為1斤。《人民日報》社在獲知這篇來信后，轉(zhuǎn)交到工商管理部門，并引起了重視。1959年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于統(tǒng)一計(jì)量制度的命令》，將1斤等于十六16兩改為10兩，在全國全面推廣使用十兩秤。為了表彰姜周元，國家向他頒發(fā)了“中國衡器改革建議者”的證書。

“千克”的飛躍

100多年以來，人們一直都按國際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量單位來定義千克，也就是上文提到的保存在國際計(jì)量局地下室的千克原器。該原器的缺點(diǎn)是易磨損，表面也會被污染，這些都造成了千克原器質(zhì)量的不穩(wěn)定。盡管科學(xué)家們這么長時間都一直精心保護(hù)著它。據(jù)說，想要打開這個儲藏室要同時擁有3把鑰匙，這3把鑰匙分別被3名不同國籍的科學(xué)界高層保管著，想要看到它必須這3人同時到場?？茖W(xué)家們每隔40年都會取出千克原器，給它“洗澡”，為它清潔以及檢查。到現(xiàn)在，千克原器總共拿出來4次，“呼吸”過4次空氣。雖然科學(xué)家們在拿出它的時候已經(jīng)格外小心，但是畢竟130年的時間千克原器不可能嶄新如初，因受到了空氣的污染而“胖”了，同時因?yàn)檠趸笆荨绷耍m說誤差不是很大，但用微克來計(jì)算的話還是比較大的，達(dá)1—2顆粒塵埃重量。如此級別的保護(hù)，還是受不了時間的侵蝕，這件原本定義千克單位的原器已逐漸不能應(yīng)對現(xiàn)在的精密測量了，甚至早已不再是1千克了。

因?yàn)樗淖兓?，?dǎo)致了誤差難以滿足現(xiàn)在的精確要求，所以重新定義“千克”被科學(xué)界提上了日程。正如NIST所解釋的那樣，新的“千克”定義是基于質(zhì)量和能量之間的基本關(guān)系，這種關(guān)系其實(shí)在愛因斯坦著名的“質(zhì)能方程”中就有所體現(xiàn)：E=mc?。意思是說，能量等于質(zhì)量乘上光速的平方，反過來，質(zhì)量也可以被轉(zhuǎn)化為能量。這就給了科學(xué)家們啟發(fā)：相比質(zhì)量，能量更容易被測量，并且能量是一種離散的量，可以分成“一份一份”。這里，還要感謝另一個方程，一個甚至比愛因斯坦的質(zhì)能方程更早出現(xiàn)的方程，那就是著名物理學(xué)家馬克斯·普朗克在1900年提出的方程E=hv。普朗克指出，在足夠小的尺度上，能量不能連續(xù)變化，而是呈現(xiàn)“跳躍式”變化——似乎能量是“一份一份”的。E=hv這個公式中，E表示能量，h表示普朗克常量，而v是電磁波的頻率。換句話說，根據(jù)這個方程，能量可以用某種粒子（比如光子）的頻率，再乘上“h”，也就是普朗克常量（值為6.62607015×10^（-34）J·s）來進(jìn)行定義。顯然，由于E不會是分?jǐn)?shù)，“h”又是常量，因此在方程E=hv中，“v”必須是整數(shù)，不可以出現(xiàn)分?jǐn)?shù)或小數(shù)。只有這樣才能保證能量是離散的，是“一份一份”的，每次變化量都是“h”的若干倍數(shù)。而在“千克”的最新定義中，科學(xué)家們將這兩個偉大的方程結(jié)合了起來。這就讓科學(xué)家們得以使用普朗克常量去定義質(zhì)量，而前者正是我們所在的宇宙中一個穩(wěn)定不變的常量。一個由全球各大頂尖實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)對這一常量進(jìn)行了迄今最精準(zhǔn)的測量，其測量誤差僅有十億分之幾。

2018年11月16日，在第26屆國際計(jì)量大會上通過了一份《修訂國際單位制》的決議，正式修改了千克、安培、開爾文和摩爾4個國際單位的定義。千克被重新定義為“對應(yīng)普朗克常量為6.62607015×10^（-34）J·s時的質(zhì)量單位”，即：一“千克”等于1.4755214×10^40個具有銫133 原子共振頻率的光子所具有的能量。同時會議做出決定，從2019年5月20日開始，新國際單位體系將正式實(shí)施。至此，“千克”成為國際單位制中7個基本的計(jì)量單位最后一個告別實(shí)物基準(zhǔn)的單位，進(jìn)入了量子時代，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。