千克原器明年退休 計(jì)量單位修改

2018-11-18 19:24?來(lái)源 綜合科技日?qǐng)?bào)

　　千克原器明年退休：法國(guó)凡爾賽召開(kāi)的第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了修訂國(guó)際單位制（SI）的決議。國(guó)際單位制中的4個(gè)基本單位改由自然常數(shù)來(lái)定義，并于2019年5月20日國(guó)際計(jì)量日正式生效。至此，國(guó)際單位制7個(gè)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(guó)際千克原器為基準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置

　　這4個(gè)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(kāi)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(kāi)爾文采用玻爾茲曼常數(shù)定義。

　　國(guó)際單位體系邁向量子時(shí)代

　　盡管這些單位的大小不會(huì)發(fā)生變化——1千克還將是原來(lái)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(guó)際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑。”國(guó)際計(jì)量局局長(zhǎng)馬丁·米爾頓表示，“用基本常數(shù)作為我們認(rèn)識(shí)和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著我們?cè)谏罨茖W(xué)認(rèn)知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì)重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了。”

　　決議的通過(guò)，預(yù)示著用實(shí)物基準(zhǔn)定義測(cè)量單位的方法即將退出歷史舞臺(tái)。“這是我們?nèi)祟?lèi)在基本單位體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(guó)際計(jì)量局物理計(jì)量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日?qǐng)?bào)記者獨(dú)家采訪(fǎng)時(shí)表示。

　　基本單位的量子化雖然從表面上人們并不會(huì)看到太大的變化，但是它對(duì)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(shí)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(guó)際單位體系從實(shí)物時(shí)代開(kāi)始邁向量子時(shí)代。原子時(shí)誕生50年來(lái)，時(shí)間頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度躍升1000萬(wàn)倍，成為目前測(cè)得最準(zhǔn)的物理量。正是基于時(shí)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(jí)別，成就了數(shù)萬(wàn)億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)。

　　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(guó)際計(jì)量局的一個(gè)砝碼——國(guó)際千克原器來(lái)確定的。

　　之所以用這個(gè)砝碼來(lái)定義質(zhì)量的單位千克，是因?yàn)樵?00多年前，計(jì)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(kāi)的第1屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，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(guó)際千克原器與6個(gè)同等材料制成、同等保存條件的國(guó)際千克原器復(fù)制品的量值比對(duì)試驗(yàn)共進(jìn)行了4次。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100多年間，這6個(gè)千克原器復(fù)制品與國(guó)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(shuō)現(xiàn)階段還不足以影響人們的日常生活，但其長(zhǎng)期積累的效應(yīng)，無(wú)疑會(huì)影響國(guó)際計(jì)量制體系的穩(wěn)定性，并且會(huì)對(duì)精密科學(xué)研究產(chǎn)生不良影響。”

　　這是因?yàn)?個(gè)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(huì)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(gè)單位中就包含質(zhì)量單位千克。同時(shí)，摩爾的定義中也用到了千克。

千克原器明年退休

　　與此同時(shí)，以前人們對(duì)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(wú)需考慮這個(gè)問(wèn)題了。并且，在以前，當(dāng)新的、更準(zhǔn)確的計(jì)量技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，可能會(huì)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(guó)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)避免基本單位的定義被反復(fù)修改。而且未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，只會(huì)不斷提升單位量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，但不會(huì)輕易改變基本單位的定義。”李世松說(shuō)。

　　平日里，老百姓買(mǎi)個(gè)菜都會(huì)涉及“斤兩”的問(wèn)題，“千克”這一國(guó)際單位的重大變革，會(huì)給人們生活帶來(lái)什么影響？長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院力學(xué)計(jì)量技術(shù)研究所副所長(zhǎng)、國(guó)家一級(jí)計(jì)量師何運(yùn)部。他表示，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給質(zhì)量測(cè)量帶來(lái)“福利”,質(zhì)量測(cè)量會(huì)變得更科學(xué)、更合理、更精確。

　　國(guó)際千克原器已有128歲

　　“目前7大國(guó)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(guó)巴黎國(guó)際計(jì)量局保險(xiǎn)箱里的標(biāo)準(zhǔn)砝碼——在1889年國(guó)際計(jì)量大會(huì)上批準(zhǔn)稱(chēng)為國(guó)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(guó)也有自己的‘IPK’。”何運(yùn)部透露，1959年中國(guó)確定以公制作為計(jì)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(guó)際計(jì)量局檢定、編號(hào)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(guó)家千克基準(zhǔn)各國(guó)通常只有一個(gè)，目的是為建立國(guó)家質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)，確保砝碼的質(zhì)量由國(guó)家基準(zhǔn)器逐級(jí)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(mǎn)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(zhuān)家因此笑稱(chēng)，“這意味著我們比一百多年前的人要‘重’”。

　　國(guó)際度量衡委員會(huì)(CIPM)的新草案一旦在明年的國(guó)際度量衡大會(huì)上通過(guò)，世界測(cè)量技術(shù)規(guī)則將被重構(gòu)，國(guó)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(lái)定義。屆時(shí)，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(guó)際質(zhì)量單位新的源頭。

　　在何運(yùn)部看來(lái)，國(guó)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(cè)量帶來(lái)“福利”,損耗進(jìn)一步降低，“質(zhì)量測(cè)量會(huì)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(chǎng)的精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)，成就了數(shù)萬(wàn)億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)。”何運(yùn)部說(shuō)，從科學(xué)行業(yè)來(lái)看，包括飛行器、汽車(chē)、化學(xué)制品、半導(dǎo)體材料、火箭配藥等，質(zhì)量測(cè)量都起著至關(guān)重要的作用。“質(zhì)量的精準(zhǔn)測(cè)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(dòng)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(huì)認(rèn)為，這么高大上的改變似乎和我的生活沒(méi)啥關(guān)系。但像金銀首飾的測(cè)量其實(shí)已經(jīng)精確到毫克了，IPK過(guò)去100年已“胖”了50微克，相當(dāng)于0.00025克拉鉆石的重量。屆時(shí)國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變，如果沒(méi)有跟上改變的節(jié)奏，購(gòu)買(mǎi)黃金、寶石時(shí)發(fā)生的糾紛可想而知。

　　“但大家不必?fù)?dān)心，因?yàn)槲覈?guó)已經(jīng)建立了‘高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)’,成功解決了2018年國(guó)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(wèn)題。”何運(yùn)部說(shuō)，我國(guó)的“高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)”靈敏度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為保障未來(lái)我國(guó)質(zhì)量量值與國(guó)際等效一致奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

編輯： 記者陸成寬