千克原器明年退休 計量單位修改

2018-11-18 19:24?來源 綜合科技日報

　　千克原器明年退休：法國凡爾賽召開的第26屆國際計量大會通過了修訂國際單位制（SI）的決議。國際單位制中的4個基本單位改由自然常數(shù)來定義，并于2019年5月20日國際計量日正式生效。至此，國際單位制7個基本單位將全部由基本物理常數(shù)定義。

千克原器明年退休：圖為以國際千克原器為基準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置

　　這4個基本單位分別是：質(zhì)量單位千克、電流單位安培、物質(zhì)的量單位摩爾以及溫度單位開爾文。其中，千克采用普朗克常數(shù)定義，安培采用基本電荷量定義，摩爾采用阿佛加德羅常數(shù)定義，開爾文采用玻爾茲曼常數(shù)定義。

　　國際單位體系邁向量子時代

　　盡管這些單位的大小不會發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克，但修訂后的基本單位，提高了SI的整體穩(wěn)定性和實(shí)用性。

　　“國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑。”國際計量局局長馬丁·米爾頓表示，“用基本常數(shù)作為我們認(rèn)識和定義質(zhì)量、時間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著我們在深化科學(xué)認(rèn)知、推動技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅實(shí)了。”

　　決議的通過，預(yù)示著用實(shí)物基準(zhǔn)定義測量單位的方法即將退出歷史舞臺。“這是我們?nèi)祟愒诨締挝惑w系中首次徹底擺脫了實(shí)物基準(zhǔn)，將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關(guān)鍵一步。” 在國際計量局物理計量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日報記者獨(dú)家采訪時表示。

　　基本單位的量子化雖然從表面上人們并不會看到太大的變化，但是它對高精尖科技的發(fā)展卻至關(guān)重要。

千克原器明年退休

　　1967年，時間單位秒采用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”進(jìn)行定義，這標(biāo)志著國際單位體系從實(shí)物時代開始邁向量子時代。原子時誕生50年來，時間頻率的測量準(zhǔn)確度躍升1000萬倍，成為目前測得最準(zhǔn)的物理量。正是基于時間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度更是達(dá)到了厘米級別，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。

　　100多年變化50微克也不行

　　質(zhì)量單位千克是目前唯一還在使用實(shí)物基準(zhǔn)定義的基本單位，1千克質(zhì)量的量值，是用保存在國際計量局的一個砝碼——國際千克原器來確定的。

　　之所以用這個砝碼來定義質(zhì)量的單位千克，是因?yàn)樵?00多年前，計量學(xué)家發(fā)現(xiàn)，選用鉑銥合金（90%鉑+10%銥）制成的砝碼的化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定。于是，1889年召開的第1屆國際計量大會，決議采用鉑銥合金砝碼定義質(zhì)量單位千克。

千克原器明年退休

　　從1889年千克定義到今天，國際千克原器與6個同等材料制成、同等保存條件的國際千克原器復(fù)制品的量值比對試驗(yàn)共進(jìn)行了4次。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100多年間，這6個千克原器復(fù)制品與國際千克原器在質(zhì)量一致性上發(fā)生了約50微克的變化。

　　“這么微小的變化，雖然說現(xiàn)階段還不足以影響人們的日常生活，但其長期積累的效應(yīng)，無疑會影響國際計量制體系的穩(wěn)定性，并且會對精密科學(xué)研究產(chǎn)生不良影響。”

　　這是因?yàn)?個基本單位的定義之間并不是彼此獨(dú)立的，千克量值的不穩(wěn)定性，還會影響SI其他基本單位的量值。比如，在基本單位定義中，電流單位安培的定義用到了導(dǎo)出單位牛頓，而牛頓這個單位中就包含質(zhì)量單位千克。同時，摩爾的定義中也用到了千克。

千克原器明年退休

　　與此同時，以前人們對實(shí)物基準(zhǔn)，總擔(dān)心因?yàn)樘鞛?zāi)或人禍而損毀，而采用基本物理常數(shù)重新定義基本單位后，人們就無需考慮這個問題了。并且，在以前，當(dāng)新的、更準(zhǔn)確的計量技術(shù)出現(xiàn)時，可能會導(dǎo)致基本單位的定義要被修改。比如，質(zhì)量單位千克在被定義為國際千克原器的質(zhì)量之前，還曾被定義為4攝氏度下1立方分米水的質(zhì)量。

　　“采用基本物理常數(shù)定義SI基本單位后，可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)避免基本單位的定義被反復(fù)修改。而且未來隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，只會不斷提升單位量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，但不會輕易改變基本單位的定義。”李世松說。

　　平日里，老百姓買個菜都會涉及“斤兩”的問題，“千克”這一國際單位的重大變革，會給人們生活帶來什么影響？長江日報記者采訪湖北省計量測試技術(shù)研究院力學(xué)計量技術(shù)研究所副所長、國家一級計量師何運(yùn)部。他表示，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給質(zhì)量測量帶來“福利”,質(zhì)量測量會變得更科學(xué)、更合理、更精確。

　　國際千克原器已有128歲

　　“目前7大國際單位制當(dāng)中，質(zhì)量單位‘千克’是唯一可以靠實(shí)物復(fù)現(xiàn)的。”何運(yùn)部介紹，定義千克的是一塊放在法國巴黎國際計量局保險箱里的標(biāo)準(zhǔn)砝碼——在1889年國際計量大會上批準(zhǔn)稱為國際千克原器(IPK)。

　　IPK由90%鉑和10%銥所組成的合金制作，是直徑和高各為39毫米的小金屬圓柱體。高爾夫球大小的它被保存在真空封存的三層玻璃罩內(nèi)。全球還有許多IPK的復(fù)制品，作為各地區(qū)校正單位的標(biāo)準(zhǔn)。

　　“我國也有自己的‘IPK’。”何運(yùn)部透露，1959年中國確定以公制作為計量制度后，在1965年引進(jìn)千克質(zhì)量單位的基準(zhǔn)器，“是由國際計量局檢定、編號為60的千克基準(zhǔn)砝碼”,同樣為鉑銥合金制成，放置在真空中，受多層保護(hù)。

　　他表示，國家千克基準(zhǔn)各國通常只有一個，目的是為建立國家質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)，確保砝碼的質(zhì)量由國家基準(zhǔn)器逐級傳遞下去。

　　已經(jīng)“發(fā)胖”重了50微克

　　隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家愈加發(fā)現(xiàn)，“千克”這種和實(shí)物相聯(lián)系的定義已經(jīng)不能滿足高精尖科技的需求了。因?yàn)閷?shí)物不能亙古不變——巴黎的IPK已經(jīng)“發(fā)胖”了50微克。專家因此笑稱，“這意味著我們比一百多年前的人要‘重’”。

　　國際度量衡委員會(CIPM)的新草案一旦在明年的國際度量衡大會上通過，世界測量技術(shù)規(guī)則將被重構(gòu)，國際單位制中科學(xué)家假設(shè)的數(shù)值，將全部改由自然界的基礎(chǔ)常數(shù)來定義。屆時，基于改用普朗克常數(shù)定義的質(zhì)量自然基準(zhǔn)將取代IPK,成為國際質(zhì)量單位新的源頭。

　　在何運(yùn)部看來，國際質(zhì)量單位千克重新定義“是件好事”,意味著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給質(zhì)量測量帶來“福利”,損耗進(jìn)一步降低，“質(zhì)量測量會變得更科學(xué)、更合理、更精確。大家不要忘了，秒的重新定義實(shí)現(xiàn)了電信、衛(wèi)星導(dǎo)航等很多技術(shù)以及股票市場的精準(zhǔn)的計時，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。”何運(yùn)部說，從科學(xué)行業(yè)來看，包括飛行器、汽車、化學(xué)制品、半導(dǎo)體材料、火箭配藥等，質(zhì)量測量都起著至關(guān)重要的作用。“質(zhì)量的精準(zhǔn)測量支撐著納米技術(shù)和石墨烯的應(yīng)用，將提升先進(jìn)制造中航空發(fā)動機(jī)的精度、推進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展”。

　　普通老百姓會認(rèn)為，這么高大上的改變似乎和我的生活沒啥關(guān)系。但像金銀首飾的測量其實(shí)已經(jīng)精確到毫克了，IPK過去100年已“胖”了50微克，相當(dāng)于0.00025克拉鉆石的重量。屆時國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變，如果沒有跟上改變的節(jié)奏，購買黃金、寶石時發(fā)生的糾紛可想而知。

　　“但大家不必?fù)?dān)心，因?yàn)槲覈呀?jīng)建立了‘高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測量系統(tǒng)’,成功解決了2018年國際質(zhì)量單位千克重新定義后質(zhì)量量值傳遞技術(shù)關(guān)鍵問題。”何運(yùn)部說，我國的“高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測量系統(tǒng)”靈敏度達(dá)到國際先進(jìn)水平，為保障未來我國質(zhì)量量值與國際等效一致奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

編輯： 記者陸成寬