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定義。

千克原器明年退休：圖為以國際千克原器為基準的校準裝置

　　這4個基本單位分別是：質量單位千克、電流單位安培、物質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定義，安培采用基本電荷量定義，摩爾采用阿佛加德羅常數定義，開爾文采用玻爾茲曼常數定義。

　　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的整體穩定性和實用性。

　　“國際單位制的修訂是科學進步的一座里程碑。”國際計量局局長馬丁·米爾頓表示，“用基本常數作為我們認識和定義質量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著我們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。”

　　決議的通過，預示著用實物基準定義測量單位的方法即將退出歷史舞臺。“這是我們人類在基本單位體系中首次徹底擺脫了實物基準，將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關鍵一步。” 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展卻至關重要。

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”進行定義，這標志著國際單位體系從實物時代開始邁向量子時代。原子時誕生50年來，時間頻率的測量準確度躍升1000萬倍，成為目前測得最準的物理量。正是基于時間定義的量子化變革，實現了衛星導航定位，其精度更是達到了厘米級別，成就了數萬億美元的衛星導航定位產品與服務市場。

　　100多年變化50微克也不行

　　質量單位千克是目前唯一還在使用實物基準定義的基本單位，1千克質量的量值，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量的單位千克，是因為在100多年前，計量學家發現，選用鉑銥合金（90%鉑+10%銥）制成的砝碼的化學性質特別穩定。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制品的量值比對試驗共進行了4次。結果發現，100多年間，這6個千克原器復制品與國際千克原器在質量一致性上發生了約50微克的變化。

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

　　這是因為7個基本單位的定義之間并不是彼此獨立的，千克量值的不穩定性，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出單位牛頓，而牛頓這個單位中就包含質量單位千克。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，以前人們對實物基準，總擔心因為天災或人禍而損毀，而采用基本物理常數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，當新的、更準確的計量技術出現時，可能會導致基本單位的定義要被修改。比如，質量單位千克在被定義為國際千克原器的質量之前，還曾被定義為4攝氏度下1立方分米水的質量。

　　“采用基本物理常數定義SI基本單位后，可以在相當長的時間內避免基本單位的定義被反復修改。而且未來隨著相關技術的進步，只會不斷提升單位量值復現的準確性，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研究院力學計量技術研究所副所長、國家一級計量師何運部。他表示，科學技術的發展給質量測量帶來“福利”,質量測量會變得更科學、更合理、更精確。

　　國際千克原器已有128歲

　　“目前7大國際單位制當中，質量單位‘千克’是唯一可以靠實物復現的。”何運部介紹，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準砝碼——在1889年國際計量大會上批準稱為國際千克原器(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。全球還有許多IPK的復制品，作為各地區校正單位的標準。

　　“我國也有自己的‘IPK’。”何運部透露，1959年中國確定以公制作為計量制度后，在1965年引進千克質量單位的基準器，“是由國際計量局檢定、編號為60的千克基準砝碼”,同樣為鉑銥合金制成，放置在真空中，受多層保護。

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

　　已經“發胖”重了50微克

　　隨著科技的發展，科學家愈加發現，“千克”這種和實物相聯系的定義已經不能滿足高精尖科技的需求了。因為實物不能亙古不變——巴黎的IPK已經“發胖”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，世界測量技術規則將被重構，國際單位制中科學家假設的數值，將全部改由自然界的基礎常數來定義。屆時，基于改用普朗克常數定義的質量自然基準將取代IPK,成為國際質量單位新的源頭。

　　在何運部看來，國際質量單位千克重新定義“是件好事”,意味著科學技術的發展給質量測量帶來“福利”,損耗進一步降低，“質量測量會變得更科學、更合理、更精確。大家不要忘了，秒的重新定義實現了電信、衛星導航等很多技術以及股票市場的精準的計時，成就了數萬億美元的衛星導航定位產品與服務市場。”何運部說，從科學行業來看，包括飛行器、汽車、化學制品、半導體材料、火箭配藥等，質量測量都起著至關重要的作用。“質量的精準測量支撐著納米技術和石墨烯的應用，將提升先進制造中航空發動機的精度、推進精準醫療產業的發展”。

　　普通老百姓會認為，這么高大上的改變似乎和我的生活沒啥關系。但像金銀首飾的測量其實已經精確到毫克了，IPK過去100年已“胖”了50微克，相當于0.00025克拉鉆石的重量。屆時國際質量標準發生改變，如果沒有跟上改變的節奏，購買黃金、寶石時發生的糾紛可想而知。

　　“但大家不必擔心，因為我國已經建立了‘高準確度真空質量測量系統’,成功解決了2018年國際質量單位千克重新定義后質量量值傳遞技術關鍵問題。”何運部說，我國的“高準確度真空質量測量系統”靈敏度達到國際先進水平，為保障未來我國質量量值與國際等效一致奠定了技術基礎。

編輯： 記者陸成寬