這周五在巴黎有個重要會議－第26屆國際計量大會 （法語：Conférence générale des poids et mesures，簡稱CGPM）要召開。
會議的一個主要議題是改變千克的定義。讀到這兒，咱們先來做個選擇題：
咋樣，您覺得哪個是正確答案？
自1889年以來，千克的世界標準是International Prototype of the Kilogram-千克的國際原型 (IPK)，這是一種由鉑和銥製成的圓柱體（直徑和高度約為39毫米，由90％鉑和10％銥合金製成），
當然不是這個破砝碼了！
這才是千克的真身IPK（有時被稱為「Le Grand K」，大K），套在三層罩子裡，儲存在 法國 Bureau International des Poids et Mesures（國際計量局）。
際計量局簡介
BIPM始建於1875年5月20日，由17國籤署的《米制公約》所設立。目前《米制公約》共有51個會員國 （我國於1977年加入）。該組織總部位在法國巴黎近郊的塞夫爾，其土地享有治外法權，也就是國際公共區域，不受法國法律制約，和聯合國辦事機構一個路數。BIPM是為維護國際單位制（SI制）所設立的3個組織中的1個。其宗旨為「確保國際度量衡標準根據米制公約施行」。換句話說就是BIPM負責維護國際單位制的準確、校對和全球統一化。
知識點又來了，國際單位制有幾個基礎單位？
單位名稱
單位符號
物理量
米
m
長度
千克
kg
質量
秒
s
時間
安培
A
電流
開爾文
K
熱力學溫度
摩爾
mol
物質的量
坎德拉
cd
發光強度
對於大多數人來說，比較熟悉的是前三個，K和mol中學學過，最後這個cd基本沒聽說過了。
上面這張基本單位關係圖很重要，可以看到，目前千克是確定坎德拉，摩爾和安培的基礎，限於篇幅，此處就不展開解釋了，讀者只需記住由於這個關係，如果千克的定義改變了，那勢必影響其它三個相關基礎單位，這張關係圖勢必須重畫。
接下來聊聊這個IPK。相對於其它五個基礎單位，單憑直覺，似乎很容易想到如何定義千克還有米，不就是做一個恆重的東西把它定義為1千克，相同思路做一個特定長度的尺子把它定義為一米嘛。然而進一步思考，這個恆重到底有多重？是合一袋沙子還是一包金子？這袋子又該多大？包又該多深？沙子要不要篩一篩？金子要不要熔一熔？顯然沙子金子不是好的原料，那麼水呢？如果把水整得特乾淨，哇哈哈、農夫山泉還有點甜那樣的，再把溫度控制好，防止熱脹冷縮，應該可以是很好均值材料了吧？且慢，溫度？這不也是個基礎單位嗎？咋控制啊？這個嘛。。。水不是可以結冰嘛，冰點應該可以控制吧。行了，差不多了，最後一個關鍵問題，拿什麼傢伙事兒盛這恰到好處的1千克水呢？要解決這個問題就繞不開解決另一個關鍵問題：確定一米的長度。鑑於確定一米長度的故事太長，筆者決定單開一篇，叫《七年之癢量一米》。。。不對不對，應該是《七年之旅量一米》。
有書為證啊，呵呵。
O.K，水有了，溫度定了，尺寸也量好了，那麼這1千克就是：冰點溫度下體積為一立方分米的純水的重量（質量）。恭喜你，你已經達到1793年科學家的水平了。很顯然，上過中學的讀者都知道這裡面溫度的控制太粗糙了，所以在1799年，溫度被調整到4攝氏度。
科學家總是一群喜歡較真兒不嫌麻煩閒不下來的人。全新千克的定義隨著一米的定義確定後，科學家趁熱打鐵開始製造更結實穩定方便的基礎單位，畢竟一立方分米的小水塊不如一塊高純度金屬好保存。1795年一個由純鉑材料製成的一千克原型被製造出來，史稱Kilogram of the Archives。
然而這個充當一千克標準的圓柱不久被證明是個「次品」， 它實際等同於標準狀態下1.000028 立方分米的純水，所以如果以它為標準，那麼所謂一噸的貨實際質量是一噸零28克。不完美啊！
這個問題一直延續了近90年，直到1879年英國的一家金屬鑄造公司Johnson Matthey （莊信萬豐）採取新的方案，製作了三個直徑和高度約為39毫米，含90％鉑和10％銥合金的圓柱體，即千克原器，分別命名為KI, KII 和 KIII。稍後的測試中KIII脫穎而出，在1889年第一屆國際計量大會被正式確定為世界上第一個也是唯一的IPK，同時千克的定義也修改為「IPK的質量」。
恭喜KIII成功加冕
實際上鑄造公司Johnson Matthey在1884年還製作了40件千克原器 （以及30件米原器），BIPM選擇保留了其中的6個，將其它34個發給了米制公約的成員國。鑑於這些千克原器很金貴，大伙兒決定沒事兒不搗騰，好好保管，每隔40年送回BIPM和IPK校驗一次以確保它們仍然保持一千克的質量。隨著國際單位制的推廣和米制公約國成員的增加，更多千克原器被製作和分發，而且為了確保安全，很多國家都會保存多個。比如我國的國家千克基準是1965年由BIPM檢定、編號為60的千克原器，但我國還保存了編號64。美國在計量方面最彆扭，成天兒的磅啊加侖啊守著英國的老古董，人家英國自己在1995年都放棄了！但就是這麼個頑固的傢伙，手裡卻握著5個千克原器，是除了法國以外持有千克原器最多的國家。
然而問題還遠遠沒有解決，前面提到各成員國的千克原器每40年都要」回娘家省親」，沐浴更衣，稱量體重，確保它們的準確性。這是一項極其繁瑣複雜的工作。
上圖顯示的是一些千克原器在1948年和1989年兩次校對的結果，可以看到大部分千克原器「體重」都略有增加，但有些千克原器比如K4，因為是經常使用的檢測標準，所以磨損比較大，記錄顯示在110年間，它相對於IPK「減重」41微克。BIPM對於自己保存的IPK和六個官方副本也一直密切監控，分別在1946，1991以及2014年對他們進行了清洗校驗。尤其2014年這次，其目的主要是響應改變千克定義的建議，證明這種實物存儲的方法不是一種精確可靠的的標準。
The M-one vacuum mass comparator from METTLER TOLEDO－質量比較儀，用於2014的校驗。
下圖中顯示的是和IPK相比較，六個官方副本的質量偏差走勢。
可以看出每個副本質量是在不斷變化的，
上圖是BIPM做的另一個實驗：檢測在清洗官方副本和IPK之後的十個月內質量的波動。可以看到IPK也沒能倖免。
總之根據以上實驗數據得出結論，世界範圍的原型已經緩慢但無可避免地各自改變著質量。同樣清楚的是，與官方副本相比，IPK的質量在上個世紀可能減少了50微克或更多。物理學家們無法提出合理的機制來解釋這種漂移的原因，無論是IPK質量的穩定下降，還是分散在全世界的千克原器質量的增加。現行的千克計量法實在落後，和時代進步發展嚴重脫節，需要被淘汰。
事實上呼籲更改千克計量方法的聲音最早出現在2005年年度國際計量委員會上。促成這一提議的另一個原因來自於另一個基本單位「米」的定義的發展改變。前面提到當初和40 個千克原器一起被鑄造的，還有30個米原器。但之後科學技術突飛猛進，1960年米原器被正式棄用，改為量子物理定義：特定原子能級躍遷的波長的倍數（在《七年之旅量一米》一文中再解釋）。1983年，米的定義再次更新，設定為「光在真空中行進1/299792458 秒的距離」（注意， 這裡提到了秒，又是一個基本單位，真是一環套一環啊！）。
看人家」米「都搭著光速放飛了，IPK簡直太low了。必須抱量子物理這個大粗腿。2011年的國際計量大會原則性同意以普朗克常量重新定義千克，並決定將原定2015年的第25次會議提前至2014年舉行，屆時做出最終決議。但是到了2014年，科學家發現現有實驗數據還不夠完美，因而又決定推遲到今年的會議最終表決。目前要討論通過的新定義是：
普朗克常數h定義為 6.62607015×10-34 kg·m2⋅s-1
What？！這是什麼？看不懂！退票！
老實說筆者和大多數讀者一樣，完全不懂，這個和一公斤土豆怎麼聯繫起來啊？！
要明白這個定義，還得回到中學物理課堂。普朗克常數數記為 h，是一個物理常數，用以描述能量子大小。馬克斯·普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現，每一份能量子等於普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率。這關係稱為普朗克關係，用方程表示普朗克關係式： E=hv；
其中， E 是光子能量， h 是普朗克常數， v 是光子頻率。看到E讀者應該能聯想到另一個著名的公式： E =mc2。愛因斯坦教導我們，能量是可以和質量和光速相關的。
假如我們把上面兩個公式聯起來，mc2=hv，那麼是不是千克和普朗克常數就建立起關係來了呢？很遺憾，這兩個E的意義並不相同，所以不能如此操作。但這兩個公式也確有關聯，它們解釋了能量、質量、速度和頻率是相關的。所以普朗克常數的單位才是kg·m2⋅s-1。在米和秒這兩個基本單位都實現準確定義下，千克的準確定義也成為可能。其實對於大多數和筆者一樣的吃瓜群眾，能理解到這個程度也就可以了，接下來內容俺們完全可以放棄。因為要準確測量普朗克常數，需要藉助一臺極其複雜的儀器：Kibble balance-Kibble 天平。
The NIST-4 Kibble balance-美國國家標準與技術研究所裡的Kibble 天平
Kibble 天平實驗難度有多大？2012 《自然》將它列為物理學界最困難的五個實驗之一，僅排在尋找上帝粒子和引力波之後（有趣的是如今這仨個實驗都成功了！）。通過Kibble 天平實驗可以獲得將質量和普朗克常數聯繫起來的方程式中的所有數值。但是要達到BIPM的要求，實驗最終的偏差要小於50 ppb,也就是十億分之50。最終在2017年來自美國、加拿大和法國的四次實驗數據達到了這一苛刻要求，從而為周五計量大會通過修改千克定義提供了堅實的數據支持。
有趣的是，普朗克常數定義的千克並不是唯一的候選解決方案。另一群科學家試圖通過另一個科學常量阿佛加德羅常數來定義千克。阿伏伽德羅常數這個概念大家在中學化學都接觸過，它是聯繫一種粒子的摩爾質量（即一摩爾時的質量），及其質量間的比例常數。阿伏伽德羅常數用於代表一摩爾物質所含的基本單元（如分子或原子）之數量，而它的數值為：6.022140857(74)×1023，括號裡的74代表測量數值的波動範圍。這個方法好理解多了，假如我們能確保某一元素材料的高純度，那麼只要知道準確的阿伏伽德羅常數，那麼我們就能精確製作出一個千克標註，反之亦然。下圖就是一個以矽28為原料製成的世界上最圓的一千克球體。
通過它，科學家測量出了和普朗克常數相似精確度的阿伏伽德羅常數。遺憾的是這個方案最終沒能入選。
寫到這兒時聽說大會已經投票通過修改千克的提議。那麼咱們就再來看看新的基本單位關係圖吧：
和之前相比，千克由普朗克定義，「受制於」米和秒。開爾文和坎德拉將「受制於」千克，安培被秒「收於帳下」，摩爾傍著阿佛加德羅常數單飛了。
最後說一個大家最關心的問題：這次更改對我們的日常生活有何影響？答案是：
但是唯一要同情一下的是中學物理老師和剛上高中的孩子們，課本要改了。。。。