在七個(gè)基本單位中，千克是w*一個(gè)以真實(shí)物體做定義的單位：保存在巴黎的國(guó)際千克原器（IPK）。未來這將有所改變；質(zhì)量的全新定義將基于自然常數(shù)。為此所需的實(shí)驗(yàn)基本步驟需要在真空中進(jìn)行。

網(wǎng)球大小、銀色、近乎完美的圓球——這是不久后將取代巴黎 IPK 鉑銥合金圓柱體的水晶球。它由科學(xué)家以高純度硅制造；其重量與千克原器精準(zhǔn)相等。

在真空中更輕為了比較硅球質(zhì)量與千克原器，將它們分別在大氣條件和真空中稱重。在真空中測(cè)量不受空氣浮力和對(duì)流的影響，其測(cè)量結(jié)果與大氣壓力下的測(cè)量結(jié)果差異不太大。因?yàn)榭諝庵械奈⑿×Ｗ訒?huì)沉積在物體表面，因此真空中的物體會(huì)稍輕一點(diǎn)。稱重水晶球時(shí)，這些粒子實(shí)際上可能會(huì)產(chǎn)生近 10 微克的平均偏差。

為了設(shè)計(jì)一個(gè)無偏差的公式來定義千克，物理學(xué)家必須確定球體中硅原子的數(shù)量。借助非常精準(zhǔn)的球形和完美的晶體結(jié)構(gòu)，可精確計(jì)算出來。但為了達(dá)到所需精確度，研究人員在 1 億個(gè)原子中z*多只能錯(cuò)算一個(gè)原子。如果實(shí)驗(yàn)成功，則千克的定義可以基于自然常數(shù)：硅 28 的原子量。

真空確保純度為準(zhǔn)確確定原子的數(shù)量，硅必須非常純凈。因此，單晶固體要在真空中生長(zhǎng)，以保證完美質(zhì)量。要做到這一點(diǎn)，需將純凈、均質(zhì)的硅放在拉晶機(jī)坩堝中，加熱到熔點(diǎn)以上幾度。然后再將一個(gè)高純度小單晶（又稱種子晶體）投入熔融質(zhì)量中。液態(tài)硅將固化在種子晶體上，并在此過程中繼續(xù)構(gòu)建其常規(guī)晶格結(jié)構(gòu)。通過緩慢的旋轉(zhuǎn)和向上運(yùn)動(dòng)，形成圓柱形水晶柱；之后，將硅球從水晶柱上切割下來。

經(jīng)由此方式制造及隨后拋光的球體結(jié)構(gòu)近乎完美：球體任何位置的直徑差異都不超過 100 納米。如果按此比例遷移到地球上，則任何山的高度都不超過五米。

兩年的測(cè)量實(shí)驗(yàn)為了確定體積，必須以光學(xué)方法精確測(cè)量硅球表面大約一百萬個(gè)點(diǎn)。研究人員使用 x 射線干涉儀確定晶格中各原子之間的距離。獲得此數(shù)據(jù)后，可從理論上計(jì)算適合此體積的原子數(shù)量。

硅球內(nèi)部由常規(guī)晶格組成，但表面會(huì)形成一層二氧化硅。這層二氧化硅會(huì)影響球體的質(zhì)量和體積，因此物理學(xué)家必須精準(zhǔn)確定其厚度，并在計(jì)算時(shí)考慮在內(nèi)。之后，通過 X 射線熒光光譜和光電子能譜，對(duì)球體進(jìn)行分析。此分析也要在真空中進(jìn)行：將球體放在真空約 ?10^-8 mbar 的超高真空系統(tǒng)中分析，這樣光子和電子不會(huì)被空氣粒子吸收，并能暢通無阻地到達(dá)探測(cè)器。

研究人員計(jì)劃花費(fèi)兩年左右時(shí)間來測(cè)量水晶球。歷經(jīng)近 130 年，千克原器有望在 2018 年秋季被取代。

普旭（Busch）將為q*的研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用提供真空系統(tǒng)。