为什么7个国际单位只有质量是用实物来定义的？
关于你提到的“7个国际单位只有质量是用实物来定义的”，这个说法其实并不完全准确，需要稍作澄清。
准确地说，自2019年5月20日起，国际单位制（SI）的七个基本单位——米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）和坎德拉（cd）——都已经不再依赖于任何实物（或称实物标准）来定义了。 它们现在全部都基于基本物理常数来定义。
不过，我理解你想要探讨的是国际单位制历史上的一个重要演变过程，特别是关于质量单位——千克（kg）的定义。在新的定义方式被采纳之前，千克确实是七个基本单位中唯一一个仍然依赖于一个实物标准来定义的单位。这背后的原因涉及科学、技术以及历史的方方面面。
让我详细解释一下为什么在过去很长一段时间里，千克的定义与众不同，以及为什么最终会做出改变。
过去的定义：一个沉甸甸的“原器”
在2019年之前，千克的定义是基于一个叫做“国际千克原器”（International Prototype of the Kilogram，简称IPK）的实物。这个原器是90%铂、10%铱合金制成的圆柱体，保存在法国巴黎的国际计量局（BIPM）。它的质量被精确地定义为1千克。
为什么千克会如此特殊？
要理解这一点，我们需要回顾一下国际单位制（SI）的发展历程以及其他单位的定义是如何演变的。
1. 科学发展的顺序性与实用性：
长度（米）： 最初，米是根据地球的尺寸定义的（从北极到赤道的子午线长度的千万分之一）。但这很不方便，也存在测量上的不精确。后来，米被定义为光在真空中传播1/299792458秒的距离。这个定义是基于光速这个基本常数，非常稳定和精确。
时间（秒）： 秒的定义经历了从天文学（地球的自转周期）到更精确的原子钟定义（基于铯133原子辐射跃迁的周期）。同样，这是基于一个非常稳定的物理过程。
电流强度（安培）： 安培的定义曾与力学单位有关（例如，两根长直导线之间产生的磁力）。但即使是过去基于磁场效应的定义，也与某些物理定律相关联，而不是一个独立的实物。
温度（开尔文）： 开尔文最初是基于水的“三相点”（液态、固态、气态共存的点）来定义的，后来才改为基于玻尔兹曼常数。
物质的量（摩尔）： 摩尔的定义是基于阿伏伽德罗常数，即0.012千克碳12原子核中的原子数目。
发光强度（坎德拉）： 坎德拉的定义也曾基于一个烛光作为参考，但后来转向了更科学的光度学定义，基于发光效率。
从这些例子可以看出，随着科学技术的进步，越来越多的单位定义倾向于基于可重复测量、不受人为因素影响的基本物理常数或自然现象。这样做的好处是：
稳定性和普适性： 基本常数在全球各地都是一致的、恒定的，不受时间和地点的影响。
精确性： 基于物理常数的定义能够通过实验达到极高的精确度。
可复现性： 任何拥有相应技术能力的实验室都可以独立地实现和复现这些单位的定义。
2. 质量的特殊挑战：
概念的固有难度： 质量本身是一个相对抽象的概念，与物质的惯性或引力效应相关。不像长度、时间那样，有直观的度量方式。
寻找完美的“原子钟”或“光速标准”的困难： 在技术发展初期，科学家们很难找到一个像原子跃迁频率或光速那样稳定、可精确测量且易于复现的自然现象来定义质量。我们感知到的质量就是“有多重”，而“重量”是受引力影响的。如何定义纯粹的“质量”就成了一个难题。
历史惯性： 一旦一个单位有了相对稳定的定义（尽管是基于实物），改变它就需要巨大的努力和共识。国际千克原器在使用过程中也积累了大量的使用经验和相关的计量技术。
3. “实物原器”的局限性：
尽管国际千克原器是当时最精确的质量标准，但它也存在一些固有的问题：
损耗和变化： 即使是精心保存，实物总会因为日常的擦拭、存放环境中的灰尘、化学反应等因素而发生微小的质量变化。科学研究发现，与其他国家的副原器相比，国际千克原器本身的质量实际上在缓慢地发生变化，尽管变化非常微小。这使得它的稳定性不如基于物理常数的定义。
获取和复制的困难： 制作一个与原器质量完全相同的复制品非常困难。而且，原器不能轻易移动，任何测量或比较都需要将其取出，这增加了其质量发生变化的风险。
依赖性： 整个全球的千克计量体系都依赖于这个唯一的实物。如果它丢失或被严重损坏，整个体系将受到毁灭性的打击。
为何最终要基于基本物理常数重新定义千克？
正是因为认识到“实物原器”方法的局限性，以及科学技术特别是量子力学和精密测量的飞速发展，国际社会决定对SI单位进行一次根本性的重构。
新的千克定义（自2019年起）是基于普朗克常数（h）。普朗克常数是量子力学中的一个基本常数，它将能量与频率联系起来。通过非常精确的测量实验（例如，使用基于“瓦特秤”或称“基布尔秤”的设备），可以测量到普朗克常数的值，并将其固定下来。然后，千克的定义就变成了：
“千克，符号kg，是SI单位制中质量的单位。它被定义为，将普朗克常数h的值固定为每焦耳秒（J·s）2π × 6.62607015 × 10⁻³⁴，即kg·m²/s。这等效于将质量单位定义为使得普朗克常数h的值在SI单位制中精确地等于上述值。”
这个定义的核心是固定了普朗克常数h的值，并以它为基础来定义千克。
总结一下为什么过去只有质量（千克）看起来是依赖实物，而现在都不再是了：
历史因素： 在SI早期发展阶段，为千克找到一个稳定、可复现且足够精确的基于物理常数的定义，比其他单位更具挑战性。实物原器是一种务实的、当时的最佳解决方案。
科学进步： 近几十年来，精密测量技术，特别是涉及到量子效应的测量技术（如普朗克常数的测量），取得了突破性进展。这使得基于基本物理常数重新定义千克成为可能，并且比依赖实物原器更精确、更稳定、更普适。
追求统一和普适性： 国际计量体系的最终目标是将所有基本单位都建立在不随时间、地点或实验条件而改变的物理定律和常数之上。2019年的SI单位制改革就是为了实现这个目标，让所有的基本单位定义都具有相同的“科学纯粹性”和稳定性。
所以，与其说“只有质量是用实物来定义的”，不如说“在过去，质量是最后一个、也是最棘手的，仍然依赖于实物标准的SI基本单位，直到科学技术发展到一定程度，才成功地将其也统一到了基于基本物理常数的定义体系中”。
准确地说，自2019年5月20日起，国际单位制（SI）的七个基本单位——米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）和坎德拉（cd）——都已经不再依赖于任何实物（或称实物标准）来定义了。 它们现在全部都基于基本物理常数来定义。
不过，我理解你想要探讨的是国际单位制历史上的一个重要演变过程，特别是关于质量单位——千克（kg）的定义。在新的定义方式被采纳之前，千克确实是七个基本单位中唯一一个仍然依赖于一个实物标准来定义的单位。这背后的原因涉及科学、技术以及历史的方方面面。
让我详细解释一下为什么在过去很长一段时间里，千克的定义与众不同，以及为什么最终会做出改变。
过去的定义：一个沉甸甸的“原器”
在2019年之前，千克的定义是基于一个叫做“国际千克原器”（International Prototype of the Kilogram，简称IPK）的实物。这个原器是90%铂、10%铱合金制成的圆柱体，保存在法国巴黎的国际计量局（BIPM）。它的质量被精确地定义为1千克。
为什么千克会如此特殊？
要理解这一点，我们需要回顾一下国际单位制（SI）的发展历程以及其他单位的定义是如何演变的。
1. 科学发展的顺序性与实用性：
长度（米）： 最初，米是根据地球的尺寸定义的（从北极到赤道的子午线长度的千万分之一）。但这很不方便，也存在测量上的不精确。后来，米被定义为光在真空中传播1/299792458秒的距离。这个定义是基于光速这个基本常数，非常稳定和精确。
时间（秒）： 秒的定义经历了从天文学（地球的自转周期）到更精确的原子钟定义（基于铯133原子辐射跃迁的周期）。同样，这是基于一个非常稳定的物理过程。
电流强度（安培）： 安培的定义曾与力学单位有关（例如，两根长直导线之间产生的磁力）。但即使是过去基于磁场效应的定义，也与某些物理定律相关联，而不是一个独立的实物。
温度（开尔文）： 开尔文最初是基于水的“三相点”（液态、固态、气态共存的点）来定义的，后来才改为基于玻尔兹曼常数。
物质的量（摩尔）： 摩尔的定义是基于阿伏伽德罗常数，即0.012千克碳12原子核中的原子数目。
发光强度（坎德拉）： 坎德拉的定义也曾基于一个烛光作为参考，但后来转向了更科学的光度学定义，基于发光效率。
从这些例子可以看出，随着科学技术的进步，越来越多的单位定义倾向于基于可重复测量、不受人为因素影响的基本物理常数或自然现象。这样做的好处是：
稳定性和普适性： 基本常数在全球各地都是一致的、恒定的，不受时间和地点的影响。
精确性： 基于物理常数的定义能够通过实验达到极高的精确度。
可复现性： 任何拥有相应技术能力的实验室都可以独立地实现和复现这些单位的定义。
2. 质量的特殊挑战：
概念的固有难度： 质量本身是一个相对抽象的概念，与物质的惯性或引力效应相关。不像长度、时间那样，有直观的度量方式。
寻找完美的“原子钟”或“光速标准”的困难： 在技术发展初期，科学家们很难找到一个像原子跃迁频率或光速那样稳定、可精确测量且易于复现的自然现象来定义质量。我们感知到的质量就是“有多重”，而“重量”是受引力影响的。如何定义纯粹的“质量”就成了一个难题。
历史惯性： 一旦一个单位有了相对稳定的定义（尽管是基于实物），改变它就需要巨大的努力和共识。国际千克原器在使用过程中也积累了大量的使用经验和相关的计量技术。
3. “实物原器”的局限性：
尽管国际千克原器是当时最精确的质量标准，但它也存在一些固有的问题：
损耗和变化： 即使是精心保存，实物总会因为日常的擦拭、存放环境中的灰尘、化学反应等因素而发生微小的质量变化。科学研究发现，与其他国家的副原器相比，国际千克原器本身的质量实际上在缓慢地发生变化，尽管变化非常微小。这使得它的稳定性不如基于物理常数的定义。
获取和复制的困难： 制作一个与原器质量完全相同的复制品非常困难。而且，原器不能轻易移动，任何测量或比较都需要将其取出，这增加了其质量发生变化的风险。
依赖性： 整个全球的千克计量体系都依赖于这个唯一的实物。如果它丢失或被严重损坏，整个体系将受到毁灭性的打击。
为何最终要基于基本物理常数重新定义千克？
正是因为认识到“实物原器”方法的局限性，以及科学技术特别是量子力学和精密测量的飞速发展，国际社会决定对SI单位进行一次根本性的重构。
新的千克定义（自2019年起）是基于普朗克常数（h）。普朗克常数是量子力学中的一个基本常数，它将能量与频率联系起来。通过非常精确的测量实验（例如，使用基于“瓦特秤”或称“基布尔秤”的设备），可以测量到普朗克常数的值，并将其固定下来。然后，千克的定义就变成了：
“千克，符号kg，是SI单位制中质量的单位。它被定义为，将普朗克常数h的值固定为每焦耳秒（J·s）2π × 6.62607015 × 10⁻³⁴，即kg·m²/s。这等效于将质量单位定义为使得普朗克常数h的值在SI单位制中精确地等于上述值。”
这个定义的核心是固定了普朗克常数h的值，并以它为基础来定义千克。
总结一下为什么过去只有质量（千克）看起来是依赖实物，而现在都不再是了：
历史因素： 在SI早期发展阶段，为千克找到一个稳定、可复现且足够精确的基于物理常数的定义，比其他单位更具挑战性。实物原器是一种务实的、当时的最佳解决方案。
科学进步： 近几十年来，精密测量技术，特别是涉及到量子效应的测量技术（如普朗克常数的测量），取得了突破性进展。这使得基于基本物理常数重新定义千克成为可能，并且比依赖实物原器更精确、更稳定、更普适。
追求统一和普适性： 国际计量体系的最终目标是将所有基本单位都建立在不随时间、地点或实验条件而改变的物理定律和常数之上。2019年的SI单位制改革就是为了实现这个目标，让所有的基本单位定义都具有相同的“科学纯粹性”和稳定性。
所以，与其说“只有质量是用实物来定义的”，不如说“在过去，质量是最后一个、也是最棘手的，仍然依赖于实物标准的SI基本单位，直到科学技术发展到一定程度，才成功地将其也统一到了基于基本物理常数的定义体系中”。
网友意见
使用实体记录1kg单位的方法已经是老黄历了。
在1889，科学家们搞了一个标准物体来标定1kg的重量。就是这个玩意儿：
但是这个东西的质量可能会因为氧化呀磨损啊什么的改变,时间久了说不定就不准了，所以在2019年被淘汰了。因为我们希望得到一个质量不会改变的“标准件”，最好使用宇宙中不会改变的那些东西-物理学常数来表达我们的标准。在新的定义中，质量的定义只使用了物理学常数，脱离了一切具体的实物。
在2018年的国际会议上人们以下图所示的方式定义1kg(2019年生效)：
这些物理量可能看起来稍微有点乱，文字总结一下就是1kg的定义使用了：普朗克常数h（单位kg·m^2/s），原子钟振动的频率ν（单位1/s）和光速c（单位m/s）。通过组合这三个量 hν/c^2，就可以得到单位为kg的物理量了。
在1889年，量子力学还没有被建立，物理学家们甚至还没有发现普朗克常数h这个物理学常量。所以此时还没有一个不依赖实体的定义能量的方法，也因此没有不依赖实体定义质量的方法。（能量/速度^2=质量）
二十世纪初诞生的量子力学给了物理学家们不依赖实体定义能量标准单位的方法。如频率ν的光子的能量就是hν。自此，能量获得了不依赖实体的定义，这一定义自然也可以通过简单的公式推广到质量的定义上。质量也因此获得了不依赖实体的定义。
在这里我们可以给出一个抛开实验(也抛开了实际情况)的定义：一个频率为1.35639249×10^50Hz的光子的动质量是1kg.
补充知识：实验层面上，具体的实验方法是使用Watt balence和约瑟夫结以及量子霍尔效应，测量出精度超高的普朗克常数。如果把此时测量得到的普朗克常数拿来作为确定的数值，也就等效于固定了测量普朗克常数时使用的砝码（1kg的定义）为标准砝码（标准的1kg的定义）。换句话说，就是把一个手头上已经有的实体和物理学常数捆绑在了一起。
参考资料：
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