定了！“國際千克原器”明年退休，基本計量單位邁向量子時代
剛剛，正在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年國際計量日（5月20日）起正式生效。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。
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)定性和實用性。“國際單位制的修訂是科學(xué)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(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。”
決議的通過，預(yù)示著用實物基準(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。
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(biāo)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(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，實現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度更是達到了厘米級別，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，是因為在100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。
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共進行了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(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。
與此同時，以前人們對實物基準(zhǔn)，總擔(dān)心因為天災(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。
中國參與國際單位制修訂工作
那么，國際單位制修訂這么重要的事，我國是否參與了呢？答案是必須滴！據(jù)介紹，本次涉及SI基本單位重新定義的基本物理常數(shù)有4個，但基于基本物理定律的聯(lián)系，其中有三個，即普朗克常數(shù)、基本電荷量和阿伏伽德羅常數(shù)，準(zhǔn)確測量確定其中之一，便能推導(dǎo)出其他兩個的量值。因此，這次國際單位制修訂中，僅需要準(zhǔn)確測量定玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)（或阿佛加德羅常數(shù)）的量值。
李世松表示，在玻爾茲曼常數(shù)測量方面，近年來，我國計量科學(xué)研究院的兩個團隊采用兩種獨立的測量方案，對玻爾茲曼常數(shù)進行了精密測量。他們最近發(fā)表的兩個測量結(jié)果的測量不確定度指標(biāo)分別為2.0×10-6和2.7×10-6，其均已被國際科學(xué)數(shù)據(jù)委員會采用，這對此次國際單位制修訂中確定玻爾茲曼常數(shù)的最終量值做出了重要貢獻。在對普朗克常數(shù)的準(zhǔn)確測量方面，中國計量科學(xué)研究院主導(dǎo)，聯(lián)合清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位，發(fā)展出了一種在測量方法上具有特色的能量天平方案及試驗裝置，2017年發(fā)表的其測量結(jié)果的不確定度為2.4×10-7，離被此次國際上確定普朗克常數(shù)量值的準(zhǔn)確性要求僅一步之遙。此外，我國計量科學(xué)研究院與清華大學(xué)合作，還提出了一種具有原創(chuàng)性的普朗克常數(shù)精密測量方案，并研發(fā)出來相應(yīng)的試驗裝置，其目前的測量不確定度指標(biāo)也已初步達到10-6量級，且其測量準(zhǔn)確性有望進一步提升。
來源：科技日報 文中圖片除注明外均來自網(wǎng)絡(luò)
編輯：朱麗
審核：王小龍
