走近SI 千克

  2019年5月20日——国际单位制（SI）基本单位新定义正式在全球生效。让我们以7个基本单位中的最后一个——千克作为栏目尾声，共同庆贺计量界的这件大事。

  千百年来，质量量值一直与人类休戚相关。任何一个文明都对商品交易有着根本性的需求，交易方式也在不断地与时俱进。

  在交易中使用测量标准的有关记载，最早出现于公元前几千年前的古埃及。古埃及人曾使用石块来核实商品的重量，后又改用青铜铸成的标准器替代了石块。令人吃惊地是，在2019年5月20日以前，我们还在以非常类似的办法来进行称重。

  国际质量基准同样也曾是一种实物计量标准——一块铂铱合金圆柱体（国际千克原器）。

  18世纪末，法国大革命爆发，法国君主政体也随之灭亡。法国大革命的另一个影响是其开创了国际单位制（简称SI）的原型。测量也被觉得应是平等的、人人可用的东西，而不应受制于皇室的要求。这一改变具有重大意义：在此之前，质量或长度单位的定义随着王国或公国的更迭而改变。通常国王或公爵的臂长就是某种长度单位的确切定义。

  1791年，法国人定义了第一个新尺度——长度单位米。面积、体积的单位平方米、立方米、升，也由米导出。此后的1799年，人们定义了千克，并打造了世界第一块质量原器——一小块铂制圆柱体。同年，法国通过法律规定米制为（该国的）权威单位制。

  在接下来的一个世纪里，有关统一采用米制单位的思想在全球范围内传播开来。1875年，17个国家为确保全球测量体系的统一，联合签署了《米制公约》。各成员国代表至今仍定期集聚国际计量大会（CGPM），讨论单位制的逐步发展，并就新思想、新方法作出决议。

  在1889年召开的第一届CGPM大会上，新的千克原器诞生了。这块原器是用比纯铂更稳定的铂铱合金打造的，但仍是一块圆柱体。在这届大会上，代表们通过了它的定义：“从此以后，该原器应被视为质量的单位。”这块金属的地位是如此特殊，它不仅被称为“国际千克原器”，还有自己的名字：Le grand K（大K）。

  自1889年以来，千克一直被定义为国际千克原器的质量。每个国家——《米制公约》的签署国——都收到了自己的千克原器复制品，并将其保存为本国的质量基准。理论上，每块由国家保存的质量基都会定期与国际千克原器进行比对。多年来的比对测量结果为，各个实物原器的质量之间产生了偏差。最近的一次比对显示，该偏差已达到了50μg——大约等于一只苍蝇翅膀的质量。尽管这对于一个在商店买面粉的普通人来说微乎其微，但对于科学而言这却是个巨大的量。以医药领域为例，50μg是一个新生儿每日所需的维生素D的剂量。

  从2019年5月20日起，这最后一件人工制品将不再作为国际质量测量的参考标准。它将被一个奇怪的字母h所取代——物理学家称之为普朗克常数。普朗克常数（h）是一个基本物理常数，也就是说它的量值在宇宙的任何地方都是一致的。作为电磁作用中的量子，它出现在大多数量子力学方程中。

  近年来，世界上许多实验室都独立通过实验，尽可能准确地测定了普朗克常数的量值。按实验方法分类，有2种不同的测量原理。

  瓦特天平，又称基布尔天平，是测定普朗克常数的方法之一。它经过测量电流将质量量值和h联系起来；另一种方法则是用单晶硅球来测定h。这种测量原理将硅原子质量与h联系起来。

  在测定h的过程中，有一项工作对于两种实验都至关重要：在h值还未最终测定并被固定下来以前，两种实验都需要反过来通过称量物体的方式计算h。这个称重过程是在“旧的单位制”下进行的，也就是说这些重物都一定要通过传统的比较测量法将质量溯源到国际千克原器上。这看上去似乎有些矛盾，但这对于“旧SI”到“新SI”过渡过程中，质量量值保持连续有着决定性作用。

  现在，这个自然常数的数值被固定为一个不变的数，各种质量能够最终靠瓦特天平或硅球计算得到——这使新定义得以最终生效。有趣的是，这在某种程度上预示着我们第一次有可能独立观测到千克原器的质量将如何随时间变化。

  千克，国际单位制中质量的单位，符号kg。当普朗克常数h以单位J s，即kg m2 s-1表示时，取其固定数值为6.62607015×10-34来定义千克，其中米和秒用c和△vCs定义。

  如你所见，这个定义要复杂得多。但是，利用自然常数，科学家们能够以前所未有的精度测量千克！新的定义还意味着1千克的质量不会随时间而改变，而国际千克原器可不是这样！