1公斤有多重是谁规定的?

1公斤有多重是谁规定的?
2019年05月22日 09:41 新浪科技综合

  来源:周花卷

  认识长度和重量是小朋友数学启蒙的一个重要内容,但是当你跟娃说,你看这块肉啊,你拎一下啊,这么重就是1公斤,他一定会给你发出灵魂拷问:为什么啊!?

  面对这种灵魂拷问,很多人给出的答案可能都很简单粗暴——因为这个都是人们规定好的呀,人们规定这么重是1公斤它就是1公斤咯!

  这个答案当然也不能算错,因为1公斤是多重,当然是由人来规定的,但问题是,这个1公斤到底是多重是怎么规定的呢?或者换个问法:我怎么知道1公斤到底是多重呢?

  有人说,用秤称一下不就好了吗?唔,那你凭什么相信这个秤是准确的呢?或者换个问法:生产秤的厂家,用什么东西来做标准才能知道自己的秤是准确的呢?

  昨天是个好日子,大家大概都忙着表白了,有一则新闻不知道大家有没有看到,就是新的国际基本单位定义于5月20日正式启用了:

  这则新闻里面提到,包括千克在内的4个基本单位有了新的定义,这到底是怎么回事?借这个机会,我觉得正好回答一下娃的灵魂拷问:1公斤到底是多重呢?

  1公斤,其实按标准说法应该叫1千克,它最开始的定义就是1立方分米的水的重量。但是,水这个东西吧,它的密度是会随着温度改变的,密度一改变,同样体积的水的重量也就改变了,这变来变去的怎么能行呢?于是,1795年,法国第一次在法律中规定,1千克就是1立方分米的水在0度时的重量。

  后来人们又发现,0度这个点并不是很稳定,因为0度是水的冰点,水一结冰,测出来的体积又不准了,这也不能行啊。后来科学家发现,4度的时候,水的密度是最大的,也就是说,这是一个水的密度最稳定的温度点。于是,1799年,法国又把这个定义给改了,改成了4度时1立方分米的水的重量。

1立方分米也就是1升啦1立方分米也就是1升啦

  尽管人们对千克这个单位有了一个定义,但是这个重量总得有个实物的标准来方便比较,毕竟不能每次都灌一桶水是吧?于是,还是在1799年,随着新定义的发布,科学家对“4度时1立方分米的水的重量”进行了精密的(只能说是在当时的条件下最精密的吧)测定,并用纯铂铸造了一个同样重量的金属块,这就是最早的“千克原器”。有了千克原器,那么千克的定义就变成了这个金属块的重量。不管你生产秤也好,还是制定什么其他的标准也好,都要按照这个金属块的重量为标准来进行。

  到这个时候为止,所有这些工作还都是法国人在搞,但到了十九世纪,度量衡就渐渐变成了一个国际问题。法国在这件事上已经有了标准,那当然希望大家都按照他们的标准来搞。于是,法国就出钱赞助开了一系列国际会议,请各个国家的代表都来吃吃喝喝玩玩,最后签了一份协议,说我们以后再度量衡这块都用我们法国的标准吧,这套标准其实也就是我们今天所熟悉的以米、千克为代表的“公制单位”。

  有了千克原器,是不是问题就解决了呢?太天真了。这个千克原器,如果每次都要拿出来做标准来比,那是不是很容易坏呢?坏不坏先不说,这拿来拿去的,沾了一粒灰上去,重量不就变了吗?就算不沾灰,金属也是会热胀冷缩的,还会氧化腐蚀,如果原器的重量一变,那岂不是全世界的秤都得跟着变呢?感觉我的体重都不准了呢。

  为了解决这个问题,人们想了这么个办法。我可以造一些这个千克原器的复制品,平常用的时候,都跟这个复制品去比,然后没过几年再把这些复制品跟正品比来校准一下,这样不就行了么?而且,人们还发现,用90%的铂和10%的铱制成的合金,比纯铂更稳定,也更耐氧化和腐蚀,于是人们就用铂铱合金重新造了一个千克原器,替代了原来法国的那个,这个新的千克原器就叫做“国际千克原器”,当然了,它还是放在法国保管,一直到现在。同时,人们也用同样的铂铱合金造了一些复制品,这些复制品就是平时代替千克原器拿出来用来作为标准使用的。

  国际千克原器长什么样呢?它是一个直径和高度均为39.17mm的圆柱体,其实就是很小的一块像砝码一样的东西。为了最大限度地保持稳定,这块东西被加了三层玻璃罩子,里面抽了真空,然后再放进法国巴黎国际计量局地下室的保险箱里。不仅如此,这块东西40年才会被拿出来一次,进行清洗和测量,到现在为止也就被拿出来过3次。

传说中的国际千克原器传说中的国际千克原器

  即便如此,100多年过去了,这个原器和其他复制品之间的重量差距也开始越来越大,误差已经达到了几十微克。问题是,没人知道到底是复制品不准了呢,还是这个原器本身也不准了——这个问题是无解的。

  可能你会说,几十微克才那么一点点,好像也没什么关系嘛?没错,对我们的日常生活来说,确实没什么关系,但是几十微克已经相当于几亿亿个原子的重量了,对于精密测量来说,这个误差简直是十万八千里了。

  更重要的是,千克不止是一个质量单位这么简单,很多其他的单位也都是在千克的基础上定义的。比如说我们都知道力的单位是牛顿,而1牛顿的定义是让1千克的物体产生1m/s²的加速度所需要的力——你看,这里面还是出现了千克。

  不仅如此,很多其他的单位还是用牛顿来定义的。比如能量的单位焦耳,1焦耳是1牛顿的力使物体移动1米所做的功,而功率的单位瓦特则是代表单位时间所做的功,这个连锁反应最终又传递到了电磁学的几乎所有单位,而电磁学又跟光学密不可分,结果光学的单位也都跟千克有关系——这就好像一叠多米诺骨牌,推到了一张,其他的就全都要倒下去。

其他基本单位与千克之间的依赖关系其他基本单位与千克之间的依赖关系

  这可怎么办呢?我们知道,二十世纪是量子力学的世纪,现在连小宝宝都要学量子力学了,比如说小扎的这张很有名的照片:

  所谓量子,说的就是能量其实不是连续的,而是一份一份的,最小的那个一份能量就叫做一个量子,这一份能量的大小,我们可以用普朗克常数(h)来描述。量子力学的好处是放之四海而皆准,也就是说,量子力学的研究对象是最基本的粒子和能量,它基本上描述了宇宙的基本法则,所以在我们这个宇宙中,量子力学里的基本常数在任何时候都是不变的,当然,普朗克常数也不例外。

  普朗克常数是这样定义的:

  我们发现普朗克常数的量纲(单位)是千克、米和秒,其中米和秒是已经利用量子力学原理定义过了的,具体是:

  1秒等于铯133原子基态超精细能级分裂9,192,631,770次所需要的时间

  1米等于光在299,792,458分之1秒中所传播的距离

  那么利用上面两个定义,再加上普朗克常数,我们就可以得到千克的定义啦。这个定义是纯粹基于量子力学常数的,跟任何实物都没有关系,因此,那个国际千克原器也就可以在新定义生效的那一天——也就是2019年5月20日——正式扔到垃圾桶里去啦!

  额,当然了,不会真的扔到垃圾桶里去,毕竟是个百年文物呢,总得留作纪念大,所以它依然还会放在原来那个地下保险箱里,只是再也不会拿出来用了而已。

  2019年5月20日是一个具有重大意义的日子,因为从这一天开始,所有的基本国际单位的定义全部都变成了基于物理常数的定义,这让我们的国际单位变得更稳定了——当然了,对于普通人来说,这个改变似乎并不会带来什么影响就是了——比如说,你的体重也不会因此就变了,哈哈。

  最后我们来看一下新的国际单位体系:

看着上面的图,让我们来重新认识一下7大基本国际单位吧:看着上面的图,让我们来重新认识一下7大基本国际单位吧:

  时间:秒(s)

  根据铯133原子基态超精细能级分裂频率(Δν)定义

  长度:米(m)

  根据光速(c)和秒定义

  质量:千克(kg)

  根据普朗克常数(h)、秒和米定义

  物质的量:摩尔(mol)

  根据阿伏伽德罗常数(NA)定义

  电流:安培(A)

  根据基本电荷(e)和秒定义

  温度:开尔文(K)

  根据玻尔兹曼常数(k)、米、秒和千克定义

  光强:坎德拉(cd)

  根据坎德拉常数(Kcd)、米、秒和千克定义

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