“一米”竟然与光速有关？千克的定义离不开普朗克和爱因斯坦？

“魔高一尺，道高一丈”，“尺有所短，寸有所长”这些我们耳熟能详的谚语，都包含了丈量长度的单位。一丈等于十尺，一尺又等于十寸。两千多年前，秦始皇率领秦国通过艰苦的征战统一六国后，便立即着手统一混乱的度量衡，一个偌大的国家怎能没有一个统一的度量标准。如今我们知道，一丈约等于3.33米，一尺约等于0.333米，一寸约等于0.033米。那国际上通用的“米”的标准又是谁制定的呢？

故事还得从法国大革命说起，1789年，法国资产阶级取得革命胜利后，便着手制定全国统一的计量单位，法国科学院最后研究决定设立“米”这个长度单位。“1米”被定义为通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点的距离的千万分之一。

定义有了，接下来便是实际测量工作。1792年，约瑟夫·德朗布和安德烈·梅尚两位科学家率领考察团队，携带测量仪器，从巴黎出发，长途跋涉测量地球上这一段经线。七年后，只剩他俩坚持到最后，完成了这项使命。法国政府根据他们所测得的珍贵数据，用铂金制成了——米原器。1889年的第一届国际计量大会确定“米原器”为国际长度基准。

可是，金属都会热胀冷缩，还可能会有污损。这就影响到“一米”的精确性。现在，我们用光子来定义一米的距离。1983年国际度量衡大会重新制定米的定义，光在真空中行进299792458分之一秒的距离为“一标准米”。光速在宇宙中是一个精确的常数，乃至基本法则，用它来定义“米”真可谓妙至毫巅！

长度的单位“米”有了定义后，1795年，法国当局又对质量的单位“克”作出了定义，“容量相等于边长为百分之一米的立方体的水于冰熔温度时的绝对重量”。而在实际生活中，人们更倾向于使用“一千克”。1799年，法国制作了一块纯白金的原器件，后被正式定为“档案局千克”，一千克的定义就相等于其质量。

1889年，国际计量大会正式确定重铸的铂铱合金圆柱体，为国际千克原器（IPK）。与此同时，为保证准确性，还复制了六个一模一样的验证复制品。原器与六个复制品放置在真空罐中，被保存在巴黎郊区的总部下层的储藏室内，恒温、恒压、恒湿，被重重保护起来，仅是开启的钥匙就需要三把。人们还制作了几十个工作复制品，提供给各个国家，以便他们准确定义“千克”。

千克原器被“养在深闺”，享受着极高的待遇，在一个多世纪的漫长岁月里，它只在1946年和1992年被取出过。原器被取出后，与六个验证复制品进行校准实验，人们吃惊地发现，原器竟然比验证复制品轻了50微克，亦或者验证复制品重了50微克呢。小小的几十微克可谓是关系重大，因为国际单位中有许多都是以千克为基础来定义的。比如，力的单位牛（N），即使1千克物质有 1m/s^2的加速度的力。

我们能不能像定义“米”那样，用自然界稳定的常数作为参考。难，非常之难！相比于其他基本单位米、秒、安培等，千克的“准确”定义直到2019年5月20日才正式完成、生效。科学家是怎么严格定义千克的呢？

这里就要用到普朗克常数(h)，用以描述量子大小。普朗克被誉为量子力学之父，他有一个著名的能量公式E=hv。而在20世纪有一位与他比肩的科学家爱因斯坦，爱因斯坦提出过著名的质能方程E=mc^2。通过两个公式我们很容易得到hv=mc^2，即m=hv/c^2。这样就巧妙地把质量与普朗克常数关联起来了。其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。

在实际对“千克”的定义实验中，我们需要用到瓦特天平。美国国家标准技术研究所中，就矗立着这样一台占地近两层楼房的巨大设备。数不清的复杂线圈、精细零件，液氮低温下的超导密封环，几代科学家的不懈努力……这一切都只为保证质量的单位——千克分毫不差。

毕竟，无论古今中外，差之毫厘谬以千里。

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