圖為以國(guó)際千克原器為基準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置

一千克究竟有多重?這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，科學(xué)家卻探索了百年。

11月16日，來(lái)自60多個(gè)國(guó)家的計(jì)量科學(xué)家將匯聚在法國(guó)凡爾賽，共同見(jiàn)證對(duì)“修訂國(guó)際單位制”的1號(hào)決議進(jìn)行的表決，屆時(shí)，7個(gè)基本單位中的4個(gè)或?qū)⒏挠晌锢沓?shù)重新定義。

11月13日，由國(guó)際計(jì)量局組織的第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)在法國(guó)凡爾賽開(kāi)幕。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正在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，他在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，本次會(huì)議是科技界期盼已久的盛會(huì)，因?yàn)闀?huì)議有一項(xiàng)重要議程——對(duì)“修訂國(guó)際單位制(SI)”的1號(hào)決議進(jìn)行表決。

16日，來(lái)自世界60多個(gè)國(guó)家的計(jì)量科學(xué)家將共同在現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證此次表決。如果決議獲得通過(guò)，7個(gè)國(guó)際單位制基本單位中，有4個(gè)將被重新定義，屆時(shí)，7個(gè)基本單位將全部由基本物理常數(shù)定義。新國(guó)際單位體系將于2019年國(guó)際計(jì)量日(5月20日)起正式生效。這將是1875年《米制公約》簽署以來(lái)，國(guó)際測(cè)量體系面臨的最重大變革，對(duì)科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

修訂后基本單位量值更穩(wěn)定

“這次單位修正，共涉及4個(gè)基本單位。質(zhì)量單位千克將采用普朗克常數(shù)定義，電流單位安培將采用基本電荷量定義，物質(zhì)的量單位摩爾將采用阿佛加德羅常數(shù)定義，溫度單位開(kāi)爾文將采用玻爾茲曼常數(shù)定義。用這些不變的參考基準(zhǔn)作為測(cè)量的基礎(chǔ)，意味著這些單位的定義在未來(lái)是可靠、不變的。”李世松告訴記者。

啟蒙時(shí)代起，測(cè)量界就致力于建立一個(gè)寰宇通用的測(cè)量系統(tǒng)。用實(shí)物作為測(cè)量基準(zhǔn)雖然是一個(gè)可行的方式，但因?yàn)閷?shí)物很容易受到人為或環(huán)境因素的損壞，穩(wěn)定性會(huì)受到影響，測(cè)量界一直想要盡早摒棄這種方式。

同時(shí)，隨著高精尖科技的發(fā)展，我們也需要更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量。于是，用物理常數(shù)重新定義國(guó)際基本單位的方案被提了出來(lái)。用常數(shù)的方式定義測(cè)量單位意味著這些定義將適應(yīng)下一代科學(xué)發(fā)現(xiàn)的需要。

本次國(guó)際單位制的修訂將使所有的基本單位都建立在我們描述自然界所用的基本物理常數(shù)上。由這些自然常數(shù)組成寰宇通用的測(cè)量基礎(chǔ)，將使科學(xué)界、工業(yè)界和人類社會(huì)擁有一個(gè)更加可靠、一致、全范圍(大至很大，小至很小)的測(cè)量系統(tǒng)。

據(jù)了解，質(zhì)量單位千克的現(xiàn)行定義是一塊保存在國(guó)際計(jì)量局的鉑銥合金圓柱體——“國(guó)際千克原器”的質(zhì)量;電流單位安培的現(xiàn)行定義是一恒定電流，若它保持在處于真空中相距1米的兩根無(wú)限長(zhǎng)而橫截面大小可被忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)，則這兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生的力在每米長(zhǎng)度上等于2×10-7牛頓;物質(zhì)的量單位摩爾的現(xiàn)行定義是所包含的基本單元數(shù)與0.012千克碳-12的原子數(shù)目相等;而溫度單位開(kāi)爾文的現(xiàn)行定義則等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。

李世松表示，這次國(guó)際單位制修訂的主要目的，是消除現(xiàn)行定義中所使用的實(shí)物基準(zhǔn)隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境產(chǎn)生的未知漂移，建立一套與基本物理常數(shù)掛鉤，適用于自然界基本物理定律的，對(duì)相應(yīng)量值的復(fù)現(xiàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境約束的國(guó)際單位新體制。

國(guó)際千克原器發(fā)生50微克漂移

由于質(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，因此科技日?qǐng)?bào)記者獨(dú)家采訪了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)計(jì)量科學(xué)研究所副所長(zhǎng)王健研究員，請(qǐng)他詳細(xì)介紹有關(guān)質(zhì)量單位千克的定義的來(lái)龍去脈。

王健介紹，早在1799年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)水在4攝氏度時(shí)的密度最為穩(wěn)定，因此將4攝氏度時(shí)1立方分米水的質(zhì)量定義為1千克。然而，由于以水為標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量既不方便又不穩(wěn)定，1889年，千克又被批準(zhǔn)由一塊采用工業(yè)革命技術(shù)打造的鉑銥合金圓柱體來(lái)定義，其中鉑含量為90%，銥含量為10%，鉑銥合金滿足了千克原器穩(wěn)定性和耐腐蝕性要求。

千克用千克原器定義后，千克原器就被保存在國(guó)際計(jì)量局，用三層玻璃鐘罩保護(hù)，最外一層抽成半真空，以防止空氣和雜質(zhì)進(jìn)入。在為科技界服役的130年內(nèi)，為保證千克原器的絕對(duì)安全，原器被保存在國(guó)際計(jì)量局的一個(gè)保險(xiǎn)箱內(nèi)，保險(xiǎn)箱必須由三把鑰匙同時(shí)打開(kāi)。這三把鑰匙分別保存在國(guó)際計(jì)量局局長(zhǎng)、國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席和法國(guó)國(guó)家檔案館館長(zhǎng)手中。

千克采用國(guó)際千克原器定義后，有個(gè)問(wèn)題計(jì)量學(xué)家們十分關(guān)心：這樣的定義到底有多穩(wěn)定?會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生漂移嗎?

應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題在定義質(zhì)量單位千克之初就被提了出來(lái)，例證是，在1889年進(jìn)行千克定義時(shí)，國(guó)際計(jì)量局就制作了7個(gè)鉑銥合金千克砝碼，其中的一個(gè)，即國(guó)際千克原器，用于質(zhì)量單位千克的定義，而其他6個(gè)采用同種材料、同種工藝制作的砝碼，則作為副基準(zhǔn)，用于檢查彼此之間是否存在隨時(shí)間變化的漂移。

“根據(jù)國(guó)際計(jì)量局的官方數(shù)據(jù)，在1889—2014年的100多年間，其他千克原器與國(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。這表明質(zhì)量單位的實(shí)物基準(zhǔn)的穩(wěn)定性存在問(wèn)題，雖然50微克的變化聽(tīng)起來(lái)很小，但對(duì)一些高精尖產(chǎn)業(yè)來(lái)講影響卻很大。”王健說(shuō)。

他表示，如果使用基本物理常數(shù)取代千克實(shí)物基準(zhǔn)，質(zhì)量單位的穩(wěn)定性就不會(huì)受到空間和時(shí)間的影響。因此，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)于2005年起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)定義部分國(guó)際單位制基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義質(zhì)量單位千克，并鼓勵(lì)有能力的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)科研工作。

“在重新定義千克的過(guò)程中最關(guān)鍵的是普朗克常數(shù)的精密測(cè)量，現(xiàn)在測(cè)量的精準(zhǔn)度已經(jīng)達(dá)到了重新定義質(zhì)量單位千克的要求。”王健強(qiáng)調(diào)。

國(guó)際單位制溯源體系徹底改變

在李世松看來(lái)，本次國(guó)際單位制基本單位的重新定義，是一個(gè)具有里程碑意義的事件。“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。”李世松說(shuō)。

本次國(guó)際單位制修訂，從表面而言，人們并不會(huì)看到太大變化。這好比你給房子換了一個(gè)更堅(jiān)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(shí)質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了。

李世松認(rèn)為，本次基本單位修訂最重要的影響在于使國(guó)際計(jì)量體系以及未來(lái)的檢定和校準(zhǔn)工作等發(fā)生改變。基于自然物理常數(shù)定義的國(guó)際單位制基本單位本征具有的開(kāi)放性，將允許任何實(shí)驗(yàn)室或個(gè)人建立直接進(jìn)行國(guó)際單位制溯源的測(cè)量和校準(zhǔn)裝置。

“在國(guó)家層面，我們?nèi)绻芙⑽覈?guó)自己的基本單位復(fù)現(xiàn)裝置，就不用再定期到國(guó)際計(jì)量局去進(jìn)行校準(zhǔn)。在區(qū)域?qū)用妫覀儑?guó)家如果能建立起國(guó)際公認(rèn)的高準(zhǔn)確性基本單位的復(fù)現(xiàn)裝置，就能夠?yàn)槠渌麌?guó)家提供校準(zhǔn)服務(wù)。”李世松說(shuō)，“而對(duì)國(guó)際計(jì)量局而言，未來(lái)最重要的使命，除了發(fā)展自己的基本單位量值復(fù)現(xiàn)裝置外，還會(huì)更加注重組織不同國(guó)家參與的國(guó)際比對(duì)，以確保國(guó)際單位制基本單位量值在全世界范圍內(nèi)具有一致性。”

“國(guó)際單位制基本單位重新定義以后，量子基準(zhǔn)將取代實(shí)物基準(zhǔn)，基本單位可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立復(fù)現(xiàn)、不再依賴于國(guó)際計(jì)量局。這將徹底改變世界計(jì)量格局——未來(lái)，國(guó)際計(jì)量局將不再是世界量值的唯一源頭，主要發(fā)達(dá)國(guó)家和新興發(fā)展中國(guó)家計(jì)量院將成為國(guó)際計(jì)量‘多中心’格局的主體。”國(guó)際計(jì)量委員會(huì)委員、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院黨委書記兼副院長(zhǎng)段宇寧表示。

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1.國(guó)際單位制7個(gè)基本單位是什么

國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位包括千克(kg)、米(m)、秒(s)、安培(A)、開(kāi)爾文(K)、摩爾(mol)和坎德拉(cd)，分別表示質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間、電流、溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強(qiáng)度的單位。

2.這次修訂將發(fā)生哪些變化

千克(kg)、安培(A)、開(kāi)爾文(K)和摩爾(mol)將擁有新的定義。秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定義將保持不變，但是它們的表達(dá)方式會(huì)有一定改變，以與千克、安培、開(kāi)爾文和摩爾新定義的表達(dá)方式相一致。

3.新定義生效后，用戶是否需要將質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器重新送檢

千克新定義生效后，用戶可以和現(xiàn)在一樣，將自己的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器送到國(guó)家計(jì)量院(NMI)或其他次級(jí)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，國(guó)家計(jì)量院將按照新定義對(duì)千克進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，亦即國(guó)家計(jì)量院鏈接到SI千克的溯源途徑會(huì)發(fā)生改變。(實(shí)習(xí)記者 陸成寬)

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