1公斤有多重是誰規定的？

最新 05-22

　　來源：周花捲

　　認識長度和重量是小朋友數學啟蒙的一個重要內容，但是當你跟娃說，你看這塊肉啊，你拎一下啊，這麼重就是1公斤，他一定會給你發出靈魂拷問：為什麼啊！？

　　面對這種靈魂拷問，很多人給出的答案可能都很簡單粗暴——因為這個都是人們規定好的呀，人們規定這麼重是1公斤它就是1公斤咯！

　　這個答案當然也不能算錯，因為1公斤是多重，當然是由人來規定的，但問題是，這個1公斤到底是多重是怎麼規定的呢？或者換個問法：我怎麼知道1公斤到底是多重呢？

　　有人說，用秤稱一下不就好了嗎？唔，那你憑什麼相信這個秤是準確的呢？或者換個問法：生產秤的廠家，用什麼東西來做標準才能知道自己的秤是準確的呢？

　　昨天是個好日子，大家大概都忙著表白了，有一則新聞不知道大家有沒有看到，就是新的國際基本單位定義於5月20日正式啟用了：

　　這則新聞裡面提到，包括千克在內的4個基本單位有了新的定義，這到底是怎麼回事？借這個機會，我覺得正好回答一下娃的靈魂拷問：1公斤到底是多重呢？

　　1公斤，其實按標準說法應該叫1千克，它最開始的定義就是1立方分米的水的重量。但是，水這個東西吧，它的密度是會隨著溫度改變的，密度一改變，同樣體積的水的重量也就改變了，這變來變去的怎麼能行呢？於是，1795年，法國第一次在法律中規定，1千克就是1立方分米的水在0度時的重量。

　　後來人們又發現，0度這個點並不是很穩定，因為0度是水的冰點，水一結冰，測出來的體積又不準了，這也不能行啊。後來科學家發現，4度的時候，水的密度是最大的，也就是說，這是一個水的密度最穩定的溫度點。於是，1799年，法國又把這個定義給改了，改成了4度時1立方分米的水的重量。

1立方分米也就是1升啦

　　儘管人們對千克這個單位有了一個定義，但是這個重量總得有個實物的標準來方便比較，畢竟不能每次都灌一桶水是吧？於是，還是在1799年，隨著新定義的發布，科學家對「4度時1立方分米的水的重量」進行了精密的（只能說是在當時的條件下最精密的吧）測定，並用純鉑鑄造了一個同樣重量的金屬塊，這就是最早的「千克原器」。有了千克原器，那麼千克的定義就變成了這個金屬塊的重量。不管你生產秤也好，還是制定什麼其他的標準也好，都要按照這個金屬塊的重量為標準來進行。

　　到這個時候為止，所有這些工作還都是法國人在搞，但到了十九世紀，度量衡就漸漸變成了一個國際問題。法國在這件事上已經有了標準，那當然希望大家都按照他們的標準來搞。於是，法國就出錢贊助開了一系列國際會議，請各個國家的代表都來吃吃喝喝玩玩，最後簽了一份協議，說我們以後再度量衡這塊都用我們法國的標準吧，這套標準其實也就是我們今天所熟悉的以米、千克為代表的「公制單位」。

　　有了千克原器，是不是問題就解決了呢？太天真了。這個千克原器，如果每次都要拿出來做標準來比，那是不是很容易壞呢？壞不壞先不說，這拿來拿去的，沾了一粒灰上去，重量不就變了嗎？就算不沾灰，金屬也是會熱脹冷縮的，還會氧化腐蝕，如果原器的重量一變，那豈不是全世界的秤都得跟著變呢？感覺我的體重都不準了呢。

　　為了解決這個問題，人們想了這麼個辦法。我可以造一些這個千克原器的複製品，平常用的時候，都跟這個複製品去比，然後沒過幾年再把這些複製品跟正品比來校準一下，這樣不就行了么？而且，人們還發現，用90%的鉑和10%的銥製成的合金，比純鉑更穩定，也更耐氧化和腐蝕，於是人們就用鉑銥合金重新造了一個千克原器，替代了原來法國的那個，這個新的千克原器就叫做「國際千克原器」，當然了，它還是放在法國保管，一直到現在。同時，人們也用同樣的鉑銥合金造了一些複製品，這些複製品就是平時代替千克原器拿出來用來作為標準使用的。

　　國際千克原器長什麼樣呢？它是一個直徑和高度均為39.17mm的圓柱體，其實就是很小的一塊像砝碼一樣的東西。為了最大限度地保持穩定，這塊東西被加了三層玻璃罩子，裡面抽了真空，然後再放進法國巴黎國際計量局地下室的保險箱里。不僅如此，這塊東西40年才會被拿出來一次，進行清洗和測量，到現在為止也就被拿出來過3次。

傳說中的國際千克原器

　　即便如此，100多年過去了，這個原器和其他複製品之間的重量差距也開始越來越大，誤差已經達到了幾十微克。問題是，沒人知道到底是複製品不準了呢，還是這個原器本身也不準了——這個問題是無解的。

　　可能你會說，幾十微克才那麼一點點，好像也沒什麼關係嘛？沒錯，對我們的日常生活來說，確實沒什麼關係，但是幾十微克已經相當於幾億億個原子的重量了，對於精密測量來說，這個誤差簡直是十萬八千里了。

　　更重要的是，千克不止是一個質量單位這麼簡單，很多其他的單位也都是在千克的基礎上定義的。比如說我們都知道力的單位是牛頓，而1牛頓的定義是讓1千克的物體產生1m/s2的加速度所需要的力——你看，這裡面還是出現了千克。

　　不僅如此，很多其他的單位還是用牛頓來定義的。比如能量的單位焦耳，1焦耳是1牛頓的力使物體移動1米所做的功，而功率的單位瓦特則是代表單位時間所做的功，這個連鎖反應最終又傳遞到了電磁學的幾乎所有單位，而電磁學又跟光學密不可分，結果光學的單位也都跟千克有關係——這就好像一疊多米諾骨牌，推到了一張，其他的就全都要倒下去。

其他基本單位與千克之間的依賴關係

　　這可怎麼辦呢？我們知道，二十世紀是量子力學的世紀，現在連小寶寶都要學量子力學了，比如說小扎的這張很有名的照片：

　　所謂量子，說的就是能量其實不是連續的，而是一份一份的，最小的那個一份能量就叫做一個量子，這一份能量的大小，我們可以用普朗克常數（h）來描述。量子力學的好處是放之四海而皆準，也就是說，量子力學的研究對象是最基本的粒子和能量，它基本上描述了宇宙的基本法則，所以在我們這個宇宙中，量子力學裡的基本常數在任何時候都是不變的，當然，普朗克常數也不例外。

　　普朗克常數是這樣定義的：