1 米多长、1 千克多重是怎么确定的？为什么 1 立方米的水正好是 1000 千克？
“一米”是怎么来的？
咱们先说“一米”。在没有统一标准的时候，人们计量长度可就费劲了。古代可能用拃（zhǎ，伸开手掌，大拇指和食指（或中指）尖之间的距离）、肘尺（从肘部到指尖的长度）、步等，这些都跟着人走，每个人都不一样，差之千里。后来，人们想找个固定、不变的东西来做标准。
最早的想法是和人的身体部位挂钩，比如法老时代的埃及就曾用国王的肘尺作为长度单位。但问题是，人会变老，国王也会换，而且每个人的身体尺寸也不尽相同，这标准就不够“硬”。
后来，随着科学发展，人们想到可以借助大自然里相对固定的东西。比如，地球？地球是个球体，我们可以测量它的周长，然后取一部分作为长度单位。
在法国大革命时期，法国人就提出了一个相当宏伟的设想：把地球的周长重新测量，然后确定一米是赤道到北极点（或者通过巴黎的子午线）四千万分之一的长度。
听起来是不是很酷？当时可是费了老大的劲，组织测量队伍，跋山涉水，精确测量了法国境内连接敦刻尔克到巴塞罗那的子午线长度。然后根据这个数据，计算出了地球的周长，再除以四千万，就得到了一个“米”的长度。
为什么是四千万分之一？
这个数字本身其实没什么特别神圣的含义，主要是为了方便。想象一下，如果一米是地球周长的五千万分之一，那地球周长就是五千万米，五千万米就是五万公里，听起来就挺顺的。而选择四千万分之一，也是因为这样一个整数，让当时的科学家觉得比较好记，而且方便计算。
所以，最早的“一米”是基于地球的大小来定义的。 理论上，无论你在哪里，只要能找到那条子午线，理论上都能测量出同样长度的一米。
当然，后来的科学技术发展得更快，我们发现地球的形状并非完美的球体，而且测量技术也越来越精确。所以，到了1960年，国际上又对“米”的定义进行了更新。这次不跟地球“绑定”了，而是采用了物理常数：定义为真空中的光速（每秒299,792,458米）的299,792,458分之一。
为什么是光速？因为光速在真空中的速度是恒定不变的，非常稳定，不受任何物理条件的影响。而且，这个定义也更便于在实验室里进行精确复现。所以，现在我们说的“一米”，就是光在真空中每秒钟传播的299,792,458分之一的时间段内所经过的距离。
“一千克”是怎么来的？
同样，在没有标准之前，大家用“斤”、“两”来衡量东西，但这些单位在不同地方、不同时代也都不一样。为了方便贸易和科学研究，就需要一个统一的质量标准。
最初，人们考虑用物质的质量来作为标准。他们就找了一种比较稳定、易得而且密度比较大的物质，比如铂铱合金。
在1889年的第一届国际计量大会上，人们制作了一个圆柱体，由90%的铂和10%的铱组成。 这个圆柱体的直径和高度都是39.17毫米，之所以选择这个尺寸，是因为研究发现，在这个尺寸下，其体积接近1升，而密度又非常稳定。
这个铂铱合金圆柱体就是后来我们常说的“国际千克原器”。 无论它是放在哪里，只要和它一样重的东西，就被定义为“一千克”。
为什么是铂铱合金？
选择铂铱合金是因为它有很多优点：
稳定性好： 不易氧化，不易腐蚀，在各种环境下都能保持其质量的稳定。
密度大： 相对较小的体积就能拥有较大的质量，方便携带和存储。
硬度适中： 既不会太软容易变形，也不会太硬难以加工。
当然，使用实物作为标准也有它的弊端。 比如，即使是铂铱合金，长时间放置也可能因为表面的吸附或者极微小的磨损而导致质量发生极其微小的变化。而且，要复制出完全一样的原器也很困难。
因此，和“米”的定义一样，“千克”的定义也在不断进步。 现在的趋势是，希望能够用物理常数来重新定义“千克”，而不是依赖于实物。比如，通过普朗克常数来定义千克。这就像用光速定义米一样，更加科学和稳定。不过，这个过程比较复杂，还在研究和完善中。
为什么1立方米的水正好是1000千克？
这其实是一个非常巧妙的巧合，或者说，是早期科学家们在制定单位体系时，故意设计成这样的。
在制定米和千克单位的时候，科学家们也考虑到了水的性质。他们发现，在特定的温度和压力下，水的密度是相对比较稳定和容易测量的。
当时，人们认为 在4摄氏度（也就是水的最大密度点）的时候，1立方分米（也就是1升）的水的质量正好是1千克。
如果1升水的质量是1千克，那么：
1立方米 = 1米 x 1米 x 1米
1立方米 = 10分米 x 10分米 x 10分米 = 1000立方分米 (也就是1000升)
那么，1000升水的质量自然就是 1000 x 1千克 = 1000千克。
所以，1立方米的水正好是1000千克，是早期科学家们在建立公制单位体系时，为了让单位之间有联系、方便计算而设定的一个基准。 这是一个非常“人性化”的设计，让日常生活中的测量和科学计算都变得更加容易。
需要注意的是：
温度和压力很重要： 水的密度会随着温度和压力的变化而变化。所以，说“1立方米的水正好是1000千克”，这通常是指在标准大气压下，水温在4摄氏度左右的时候。如果温度或压力不同，1立方米水的质量会略有偏差。
不是所有物质都这样： 这个“1立方米等于1000千克”的设定，仅仅是针对水这个物质，而且是在特定的条件下。其他物质，比如铁、空气，它们的密度都和水不一样，所以1立方米它们的质量也不同。
总而言之，从地球的周长到光速，从铂铱合金到物理常数，从水的密度到单位的关联性，这些单位的确定和演变，无不体现了人类对精确测量的不懈追求和对自然规律的深刻理解。它们不是凭空出现的，而是智慧与实践的结晶，为我们认识世界、改造世界提供了坚实的基础。
网友意见
正好今年质量单位“千克”将要被重新定义，就说一下“千克”的确定。
目前，1千克的定义就是“国际千克原器的质量”，这个原器存放在位于巴黎的国际计量局的保险柜里。
请注意，千克是目前国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位。其他的六个基本单位是米（长度），秒（时间），开尔文（温度），安培（电流），摩尔（物质的量）和坎德拉（发光强度）。
- 千克定义的演变史：从实物到基本物理常量
千克最初的定义是4 ℃时一立方分米水的质量，这是1799年由法国科学家提出来的，并以这个标准制作了纯铂的千克原器作为1千克的国际标准。过了将近一个世纪，由于铂铱合金更加稳定，1889年科学家们用铂铱合金代替了纯铂的千克原器，然后这个千克原器一直被使用到现在。
也就是说，我们使用的千克的定义一直是以国际千克原器这个实物为标准的。这样的千克定义虽然简单，但是却存在一些根本性的困难。
首先，通过长时间的观察，人们发现，这个实物的保存并不容易。
尽管保存条件几乎无可挑剔，但是随着时间的推移，国际千克原器的质量会发生微小的变化，这是一个问题。因为千克原器是千克定义的基准，它质量的改变意味着其他所有东西质量的改变。
另外一个问题就是，为了避免对国际千克原器造成损伤，国际千克原器不能经常性使用，这就给不同实验室对千克的测量带来很大的不便。
物理学中诸多的物理量都和千克有关，例如牛顿（力学单位），瓦特（功率单位），焦耳（能量单位）等，因此，千克原器的任何轻微改变都会引起其它物理量定义的混乱。
为了有效杜绝这种混乱，早在2005年，国际计量委员会（CIPM）就已经建议以基本物理常量为基础，对千克进行重新定义。 2010年，国际计量委员会终于决定，以普朗克常数为基础重新定义千克，之后2011年国际度量衡大会同意了该提议，并计划在2018年正式实施。
- 普朗克常数：重新定义千克
要用普朗克常数对千克进行重新定义，就需要对普朗克常数进行更为精确地测量，目前这一工作正在进行当中。
普朗克常数的准确数值已经从 变为 ，不确定度从 提高到了 。
得到精确的普朗克常数之后，就可以使用瓦特天平来对质量进行精确地测量。
- 为什么要用普朗克常数重新定义千克呢？
原因如下：普朗克常数是物理学中最基本的常数之一，而且和它有关的量可以较为精确地测量，这也就意味着普朗克常数也能被精确地测量。
普朗克常数的单位是 ，除了kg之外，长度（m）和时间（s）都有着很好的定义，且易于测量，因此选用普朗克常数来定义千克是一个比较好的选择。而且新定义很容易被世界各地的实验室重复，因为只要拥有一台瓦特天平，根据普朗克常数将相应的仪器参数设置正确，那么得出的质量就是一千克，这将会大大方便不同实验室对质量的精确测量和使用。
当然，日常生活中使用的千克并不受影响，因为这样的定义并没有改变原有千克的大小，只是将千克的定义基础改变了，使它变得更容易重复和使用，也更加稳定。
作者：陈星
出品：科普中国
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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