國際單位制SI迎來歷史性變革
巴黎時間11月16日下午，第26屆國際計量大會（CGPM）關(guān)于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議經(jīng)全體成員國表決通過。根據(jù)決議，SI基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿佛加德羅常數(shù)NA定義。這是SI自1960年創(chuàng)建以來最為重大的變革，將從根本上保證SI的長期穩(wěn)定性，對科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和全球治理等影響深遠。
實物原器退出歷史舞臺
世界上最重要的一塊鉑銥合金圓柱體——國際千克原器（IPK）成為了千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實物原器將繼續(xù)以原有狀態(tài)保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險箱內(nèi)，為新定義相關(guān)研究和國際比對發(fā)揮“余熱”，但它將不再出現(xiàn)于任何物理公式中。
國際千克原器IPK
國際計量局供圖
據(jù)中國計量院從事質(zhì)量新定義研究的李正坤研究員介紹，IPK及其復(fù)制品是用19世紀末20世紀初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當(dāng)時也滿足了對于計量基準的準確度及穩(wěn)定性的要求。但實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使它的特性發(fā)生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會有所改變。
清洗千克基準（第43號千克基準）
拍攝于20世紀90年代，國際計量局供圖
據(jù)國際計量局官方數(shù)據(jù)顯示，IPK真正“面世”參加國際比對的次數(shù)僅有4次。100年間，各國保存的質(zhì)量基準、國際計量局官方作證基準與IPK的一致性共發(fā)生了約0.05 毫克的變化。但IPK質(zhì)量究竟變化了多少至今仍然是個迷。
2003年參與國際比對后IPK被放回保險箱
國際計量局供圖
“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)h重新定義千克后，質(zhì)量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮IPK質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必擔(dān)心IPK丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的毀滅性災(zāi)難。”李正坤表示。此外，IPK作為最高基準，量值只有1千克一種。從最高基準到具體的應(yīng)用場所，量值要經(jīng)過多次分解和傳遞，這會對量值準確性造成損失。“基于新定義的千克可以在極大、極小值的全范圍內(nèi)，保持相同的不確定度。”國際計量委員會副主席、單位制咨詢委主席約阿希姆·烏爾里希表示，“這對于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用而言都非常重要。”
SI真正成為全球通用的測量基礎(chǔ)
國際單位制（SI）的起源可以追溯至1875年——17國簽署《米制公約》并正式同意推行統(tǒng)一的國際測量體系。“‘米制’在創(chuàng)立時的愿景即是‘為全人類所用，在任何時代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘自然常數(shù)’而非某種主觀的標(biāo)準來定義單位，而這一點隨著SI的修訂真正成為了現(xiàn)實。”國際計量委員會主席白瑞·英格里斯表示。自啟蒙時代起，國際測量界就致力于建立一個“全球通用”的測量系統(tǒng)。用實物作為測量基準一直是一個可行的方式，但這也是測量界想要盡早摒棄的方式。SI的修訂第一次使所有的基本單位和導(dǎo)出單位都建立在恒定不變、全球通用的常數(shù)上——國際測量界多年夙愿成為了現(xiàn)實。此外，SI定義將第一次獨立于它們的復(fù)現(xiàn)方式：這些定義不會隨著更好的復(fù)現(xiàn)方式的出現(xiàn)而過時。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導(dǎo)線間的電磁作用力”，這意味著電流需要采用一定的復(fù)現(xiàn)方式來定義。但是，隨著約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，舊的定義方式過時了。而安培的新定義則只和一定時間內(nèi)通過的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式。
加拿大/英國基布爾（功率）天平裝置
“新定義生效后，千克可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)現(xiàn)，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此。”約阿希姆·烏爾里希表示。
德國阿佛加德羅法（X射線晶體密度法）復(fù)現(xiàn)千克裝置
中國計量院能量天平裝置（局部）
正如國際計量局局長馬丁·米爾頓在公開發(fā)表的聲明中所說，用基本常數(shù)作為我們認識和定義質(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)認知、推動技術(shù)進步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅實了。盡管從表面而言，大多數(shù)人并不會看到太大變化。“這好比你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但它可能已經(jīng)發(fā)生了實質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了。”馬丁·米爾頓說，“就像1967年用原子的特性修訂秒定義一樣——盡管在修訂之初人們并不知道它可以用在哪里。但現(xiàn)在，基于原子鐘的計時技術(shù)已成為互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)的基礎(chǔ)。新SI也是這樣，它將在未來對科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。”
國際單位制修訂的中國貢獻
國際計量委員會主席白瑞·英格里斯在聲明中表示：“SI的修訂是科學(xué)成就的一座里程碑。這是所有參與相關(guān)研究工作的國家計量院與國際計量局責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)，正是這些研究機構(gòu)開展的潛心研究和通力合作，才取得了這樣的成就。”事實上，早在20世紀中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高，時間、長度的SI單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計量委員起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等，并鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關(guān)研究工作。
中國計量科學(xué)研究院作為我國的國家計量院，始終緊跟國際計量科學(xué)前沿，并在SI基本單位復(fù)現(xiàn)新理論、新方法等方面持續(xù)開展研究。截至目前，中國計量院已在玻爾茲曼常數(shù)、普朗克常數(shù)和阿佛加德羅常數(shù)等物理常數(shù)測量以及量子基準的建立方面取得了系列突破。特別是該院利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數(shù)，為SI溫度基本單位開爾文的修訂做出了重要貢獻。
CODATA 2017玻爾茲曼常數(shù)平差所用數(shù)據(jù)
（NIM為中國計量科學(xué)研究院）
來源：國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會（CODATA）
在全球科學(xué)家們的努力下，用于SI新定義的常數(shù)被精心設(shè)計在“剛剛好”的數(shù)值上，因此，在新定義生效前后，單位的大小不會發(fā)生顯著變化——1千克還將是原來的1千克——測量結(jié)果在很高的準確度水平上仍然是一致的。“新定義生效后，絕大多數(shù)用戶并不需要為此做出任何反應(yīng)，大家可以和原來一樣，從國際計量局、國家計量院以及獲得認可的實驗室獲得相關(guān)量值到SI的溯源性。”馬丁·米爾頓表示。“事實上，電壓單位伏特的量值將僅發(fā)生大約一千萬分之一的變化，歐姆的變化則更小；千克、開爾文、摩爾的定義更是基本可以忽略不計。”另據(jù)國際計量局官方聲明顯示，國際計量局將在千克重新定義以后繼續(xù)開展關(guān)于千克復(fù)現(xiàn)基準方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”。建有相關(guān)復(fù)現(xiàn)裝置的國家計量院必須在“共識值”的基礎(chǔ)上依據(jù)新定義進行量值傳遞，直到其獨立復(fù)現(xiàn)的不確定度達到與“共識值”相當(dāng)?shù)乃健６渌荒塥毩?fù)現(xiàn)千克的成員國，則可以通過國際計量局的校準服務(wù)實現(xiàn)質(zhì)量量值對SI的溯源。
據(jù)悉，中國計量院已獨立建立了基于新定義的千克復(fù)現(xiàn)裝置，并成功研制了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標(biāo)準傳遞裝置，可以保障未來我國質(zhì)量量值與國際等效一致。
網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載：中國計量科學(xué)研究院陳杭杭
