1千克究竟有多重 1千克等于多少斤 _小知识

本文原载于《环球科学》，未经许可，请勿转载。
撰文伊恩·罗宾逊（Ian Robinson）
翻译郭凯声
本文作者伊恩·罗宾逊在英国牛津大学获得硕士学位，在英国伦敦大学学院读完博士，现在是英国国家物理实验室（NPL）的研究员。他参与了英国国家物理实验室三代瓦特天平的研制过程，并且在国际计量委员会下属电磁咨询委员会中担任要职，主持用电磁方法更新千克标准的工作。

文章插图
照片中的合金圆柱体重1千克，是精密的质量标准。目前存放在意大利，用来校正意大利全国的称量仪器。同世界其他国家的质量标准一样，它将定期接受存放在法国的国际千克原型的校正。
“对整个度量衡系统而言，千克就像白色夹克衫上的黑污点。”一百多年来，千克的定义毫无进步，全世界的天平仍然在依靠一块人造金属作为标准。现代科技已经厌倦了为这块金属质量的稳定性担惊受怕，科学家正想方设法，用自然界恒定不变的性质来定义千克。
现代科技日新月异，一项新技术往往不出几年就落伍了。讽刺的是，几乎全世界的质量测定（及能量等相关物理量的测定）还在依靠一块118年前制作的金属块——它如今安稳地存放在法国巴黎郊外国际计量局的小储藏室里。按照国际单位制（SI，即通常所谓的公制）的规定，1千克就等于这个精心打造的圆柱状铂铱合金块的质量。它的正式名称是“国际千克原型”（IPK），高39毫米，直径也是39毫米。
国际单位制由国际计量大会与国际计量委员会制定并实施。近几十年来，国际计量大会先后修改了其他几个基本单位的定义，大大提高了它们的精确性，使它们能够跟上科技发展的步伐（国际上约定了7个基本单位，其他所有单位均由基本单位导出）。例如，米和秒的单位现在都以自然现象为依据。米的定义与光速挂钩，而秒的定义则与某种同位素原子在两个特定能级之间跃迁时发出的微波频率有关。
目前，千克是惟一仍然以人造物体为依据来定义的国际标准单位。随着测量技术精确度的不断提高，用一块金属来定义千克必然会麻烦缠身。因此，测量专家绞尽脑汁，力求仅仅以自然界恒定特性为基础来定义质量。有两种方案看来最有希望，一个方案以阿伏加德罗常数（Avogadro constant,指12克碳12中所包含的碳原子数目）这一基本概念为基础，另一个方案则涉及普朗克常数（Planck's constant，量子力学的基本常数，用途极为广泛。例如，利用这个常数，物理学家可以根据光的频率计算出光子的能量）。由于科学家是在国际单位制单位（包括千克）的基础上来测定常数的值，因此，国际千克原型的真实质量有任何变化，被测常数的值也得跟着起伏。用这些根据千克单位测定的“常数”来定义千克，我们就会陷入一个循环定义、自相矛盾的尴尬局面。
因此，在定义千克之前，科学家们只能从头开始，依据千克的现行定义尽可能精确地测量并确定常数的值,先“盯死”这个常数。然后将这个值纳入千克的新定义，实现新旧定义之间的平稳过渡。最后，在已得出精确数值的常数的帮助下，采用测量手段，确定新定义下的1千克有多重。
掉队的千克定义
现行的千克定义要求，无论在世界的哪个角落，只要进行公制质量的测量，都必须向国际千克原型的质量看齐。人们通常把“质量”跟“重量”画等号，但严格说来，这是两个不同的概念。质量是指物体受到外力（比如重力）的作用时力求保持原有运动状态的惯性，而重量则来源于地球和物体之间的万有引力。为了确保世界各地的质量标准与国际千克原型吻合，每隔40年左右，“米公约”（Meter Convention，约定实行国际单位制的公约）的51个签字国，便会把各自保管的国际千克原型复制品送到国际计量局。测量专家会从储存室里请出国际千克原型，校正各国的复制品。一旦校正完毕，所有复制品将被遣返回国，担负起校正各国质量标准的任务。这样的接力赛一直辗转延续到基层，最终使全世界实验室和工厂中的天平和其他称重仪器都得到校正。
从经济角度看，我们需要一个稳定不变的质量标准，但有证据表明，国际千克原型的质量正在随着时间流逝而变化。科学家考察过与国际千克原型制作年代相同的其他各种质量标准的相对变化，并对比了与质量有关的一系列基本常数以前和现在的测量结果（人们认为这些常数的值不会随时间发生显著变化）。他们已经证明，过去100年来，国际千克原型的质量很可能已经增加或减少了50微克以上。引起这种质量漂移的潜在原因是多方面的，比如空气中的污染物逐渐积聚在国际千克原型上，可能导致质量上升，而磨损则可能导致质量减轻。由于国际单位制的基本单位支撑着全世界的科研活动与工业生产，因此我们有必要采取措施，确保它们不会发生难以预测的变化。