一千克有多重

罗锋

“千克”是国际单位制中7个基本SI单位之一，用来表示质量。人们往往用它来计量物体的重量，是使用最为广泛的计量单位之一，那么一千克到底有多重，它又是如何定义的呢？

“千克”的来历

众所周知，“千克”一词为舶来词。而“千克”由来也要从重量符号的统一说起，它与国际米制公约是分不开的。

国际米制亦称万国公制，创始于法国。1789年之前，法国的度量衡制度混杂，所用度量衡器具参差不齐。法国大革命后，一名叫De Tollgraeand的法国人上书国民议会，详尽阐述了度量衡旧制的各种弊病，请求划一。1790年，刚刚走上政治舞台的法国资产阶级，以其特有的敏锐，意识到度量衡统一的重要性，立即要求法国科学院，一边整理度量衡旧制，一边开始创立“万世不变”的度量衡新标准。法国的这一举措，翻开了近代计量的新篇章。这就是赫赫有名的“米制公约”，米制规定了长度主单位（metre）、容量主单位（litre）、重（质）量主单位（kilogramme）的基本量值和十进制进退位的原则。

1791年，法国国民议会表决通过了科学院的提议，规定开罗格兰姆（Kilogramme）的重量，等于1立方分米纯水在密度最大时（4摄氏度）的重量（或质量），这便是“千克”最初的定义，也是“千克”的由来。到了1883年，法国用90%的铂和10%的铱所组成的铂铱合金，制成了直径和高都为39毫米的圆柱体千克原器，并于1889年被第一届国际计量大会所承认，成为国际千克原器，在1901年第三届国际计量大会上被正式定义。该原器100多年来一直被保存在国际计量局的地下室，被精心地安置于有三层钟罩保护的托盘上（如图1）。

“千克”走进中国

19世纪中叶，万国公制开始传入中国，度量衡名称最初完全采用译音，如metre 译为米突、litre 译为立特、kilogramme 译为开罗克兰姆等。这些命名仅在折算时使用，并不要求公民熟知。当时的北洋政府认为音译命名与中国传统的度量衡单位名称相去甚远，不便于新制的推广。于是提议用意译法，即用中国度量衡旧制的尺、升、斤等名称，借用“万国公制”中的“公”字冠以词首，拟定了以“公尺、公升、公斤”为基本单位的国际权度制单位中文名称系统。随着政局动荡，军阀割据和混战局面的出现，当时的度量衡成为泡影。南京政府成立伊始颁布了《度量衡法》，其中规定重量中西对照如图2：

至此，我们可以绘制出中国度量衡量值表，如图3所示：

新中国成立后，中国各项事业的发展开始了一个新的阶段。新中国伊始，中心任务就是恢复国民经济正常秩序，安定人民生活，这就离不开统一计量的保证。1953年，温州人姜周元写信给当时的《浙南大众报》（温州日报前身），建议衡器10两为1斤。《人民日报》社在获知这篇来信后，转交到工商管理部门，并引起了重视。1959年，国务院发布《关于统一计量制度的命令》，将1斤等于十六16两改为10两，在全国全面推广使用十两秤。为了表彰姜周元，国家向他颁发了“中国衡器改革建议者”的证书。

“千克”的飞跃

100多年以来，人们一直都按国际标准质量单位来定义千克，也就是上文提到的保存在国际计量局地下室的千克原器。该原器的缺点是易磨损，表面也会被污染，这些都造成了千克原器质量的不稳定。尽管科学家们这么长时间都一直精心保护着它。据说，想要打开这个储藏室要同时拥有3把钥匙，这3把钥匙分别被3名不同国籍的科学界高层保管着，想要看到它必须这3人同时到场。科学家们每隔40年都会取出千克原器，给它“洗澡”，为它清洁以及检查。到现在，千克原器总共拿出来4次，“呼吸”过4次空气。虽然科学家们在拿出它的时候已经格外小心，但是毕竟130年的时间千克原器不可能崭新如初，因受到了空气的污染而“胖”了，同时因为氧化而“瘦”了，虽说误差不是很大，但用微克来计算的话还是比较大的，达1—2颗粒尘埃重量。如此级别的保护，还是受不了時间的侵蚀，这件原本定义千克单位的原器已逐渐不能应对现在的精密测量了，甚至早已不再是1千克了。

因为它的变化，导致了误差难以满足现在的精确要求，所以重新定义“千克”被科学界提上了日程。正如NIST所解释的那样，新的“千克”定义是基于质量和能量之间的基本关系，这种关系其实在爱因斯坦著名的“质能方程”中就有所体现：E=mc?。意思是说，能量等于质量乘上光速的平方，反过来，质量也可以被转化为能量。这就给了科学家们启发：相比质量，能量更容易被测量，并且能量是一种离散的量，可以分成“一份一份”。这里，还要感谢另一个方程，一个甚至比爱因斯坦的质能方程更早出现的方程，那就是著名物理学家马克斯·普朗克在1900年提出的方程E=hv。普朗克指出，在足够小的尺度上，能量不能连续变化，而是呈现“跳跃式”变化——似乎能量是“一份一份”的。E=hv这个公式中，E表示能量，h表示普朗克常量，而v是电磁波的频率。换句话说，根据这个方程，能量可以用某种粒子（比如光子）的频率，再乘上“h”，也就是普朗克常量（值为6.62607015×10^（-34）J·s）来进行定义。显然，由于E不会是分数，“h”又是常量，因此在方程E=hv中，“v”必须是整数，不可以出现分数或小数。只有这样才能保证能量是离散的，是“一份一份”的，每次变化量都是“h”的若干倍数。而在“千克”的最新定义中，科学家们将这两个伟大的方程结合了起来。这就让科学家们得以使用普朗克常量去定义质量，而前者正是我们所在的宇宙中一个稳定不变的常量。一个由全球各大顶尖实验室的科学家组成的团队对这一常量进行了迄今最精准的测量，其测量误差仅有十亿分之几。

2018年11月16日，在第26届国际计量大会上通过了一份《修订国际单位制》的决议，正式修改了千克、安培、开尔文和摩尔4个国际单位的定义。千克被重新定义为“对应普朗克常量为6.62607015×10^（-34）J·s时的质量单位”，即：一“千克”等于1.4755214×10^40个具有铯133 原子共振频率的光子所具有的能量。同时会议做出决定，从2019年5月20日开始，新国际单位体系将正式实施。至此，“千克”成为国际单位制中7个基本的计量单位最后一个告别实物基准的单位，进入了量子时代，实现了质的飞跃。