就像一位年邁的君主，“大K”即將向現(xiàn)代化低頭。130年來，這個(gè)閃閃發(fā)光的鉑銥合金圓柱體一直是世界質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
眾所周知的“1千克”這一質(zhì)量單位由一個(gè)直徑和高度同約為39毫米的鉑銥合金圓柱體定義，即“國(guó)際千克原器”，外號(hào)為“大K”。“大K”原器保存在巴黎西郊一間地下儲(chǔ)藏室內(nèi)。
法國(guó)塞夫勒的國(guó)際度量衡局（BIPM）每隔40年左右就會(huì)把“大K”取出來，在世界各地校準(zhǔn)重量。但其質(zhì)量受空氣污染和氧化等因素影響出現(xiàn)了細(xì)微變化，已難以適應(yīng)現(xiàn)代精密測(cè)量的要求。因此科學(xué)界一直想用一種基于物理常數(shù)的定義將其取代。
11月16日，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）經(jīng)各個(gè)成員國(guó)表決，通過了關(guān)于“修訂國(guó)際單位制”的決議。根據(jù)決議，國(guó)際單位制基本單位中的4個(gè)——千克、安培、開爾文、摩爾分別改由普朗克常數(shù)、基本電荷常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、阿佛加德羅常數(shù)定義。決議將于下一個(gè)國(guó)際計(jì)量日，即2019年5月20日正式生效。
盡管這些單位的大小不會(huì)發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克，但修訂后的4個(gè)單位將與秒、米和坎德拉一起，共同提高國(guó)際單位制的整體穩(wěn)定性和實(shí)用性。
這是國(guó)際單位制自1960年創(chuàng)建以來最為重大的一次變革。“國(guó)際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑。”BIPM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。”
實(shí)物原器將退出歷史舞臺(tái)
自啟蒙時(shí)代起，國(guó)際測(cè)量界就致力于建立一個(gè)“全球通用”的測(cè)量系統(tǒng)。用實(shí)物作為測(cè)量基準(zhǔn)雖是可行的方式，但也是測(cè)量界想要盡早摒棄的方式。
值得注意的是，這次修改重寫了用于定義單位的最后一個(gè)物理工件“大K”的命運(yùn)。即最受關(guān)注的“千克”定義，將以量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)為基準(zhǔn)，其原理是將移動(dòng)質(zhì)量1千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。
因此，從2019年國(guó)際計(jì)量日開始， “大K”將繼續(xù)以原有狀態(tài)保存在法國(guó)塞夫勒的布勒特伊宮地下保險(xiǎn)箱內(nèi)，為新定義相關(guān)研究和國(guó)際比對(duì)發(fā)揮“余熱”，但它將不再出現(xiàn)于任何物理公式中。
中國(guó)計(jì)量院從事質(zhì)量新定義研究的研究員李正坤介紹，“大K”及其復(fù)制品是用19世紀(jì)末至20世紀(jì)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(shí)也滿足了對(duì)于計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求。但實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使它的特性緩慢地發(fā)生變化，因而它所保存的量值也會(huì)有所改變。
BIPM官方數(shù)據(jù)顯示，100年間，各國(guó)保存的質(zhì)量基準(zhǔn)、BIPM官方作證基準(zhǔn)與“大K”的一致性共發(fā)生了約0.05毫克的變化。但“大K”質(zhì)量究竟變化了多少至今仍然是個(gè)謎。
“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)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‘大K’質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必?fù)?dān)心‘大K’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。
此次國(guó)際單位制的修訂，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(guó)際測(cè)量界多年夙愿成為了現(xiàn)實(shí)。
“給房子換個(gè)更堅(jiān)實(shí)的地基”
在新定義生效前后，計(jì)量單位的大小不會(huì)發(fā)生顯著變化，也就是說，1千克還是原來的1千克，測(cè)量結(jié)果在很高的準(zhǔn)確度水平上仍然是一致的。那么，這次修訂又有什么意義呢？
“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。”米爾頓說。
國(guó)際單位制的起源可以追溯至1875年——十七國(guó)簽署《米制公約》并正式同意推行統(tǒng)一的國(guó)際測(cè)量體系。
“‘米制’在創(chuàng)立時(shí)的愿景即‘為全人類所用，在任何時(shí)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(zhǔn)來定義單位，而這一點(diǎn)隨著國(guó)際單位制的修訂真正成為了現(xiàn)實(shí)。”國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞·英格里斯表示。
這是國(guó)際單位制定義第一次獨(dú)立于這些被定義單位的復(fù)現(xiàn)方式。也就是說，這些定義不會(huì)隨著新復(fù)現(xiàn)方式的出現(xiàn)而過時(shí)。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(shí)了。而安培的新定義則只和一定時(shí)間內(nèi)通過的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式。
“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。”國(guó)際計(jì)量委員會(huì)副主席約阿希姆·烏爾里希表示。
米爾頓在公開發(fā)表的聲明中說，用基本常數(shù)作為人們認(rèn)識(shí)和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著人們?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。
但另一方面，即便是那些變革的支持者也承認(rèn)，這可能會(huì)讓非專業(yè)人士感到困惑。“頭腦冷靜的人會(huì)說，‘我們?cè)撛趺唇倘藗兪褂眠@種單位？’”馬里蘭州美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)家Jon Pratt說。
國(guó)際單位制修訂的中國(guó)貢獻(xiàn)
早在20世紀(jì)中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)各種物理量的測(cè)量準(zhǔn)確度得到了極大的提高，時(shí)間、長(zhǎng)度的國(guó)際單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分國(guó)際單位制基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等，并鼓勵(lì)有能力的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究工作。
記者了解到，截至目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究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(cè)量以及量子基準(zhǔn)的建立方面取得了一系列突破，他們還利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測(cè)得玻爾茲曼常數(shù)，為國(guó)際單位制溫度基本單位開爾文的修訂作出了重要貢獻(xiàn)。
BIPM官方聲明顯示，該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(zhǔn)方法的國(guó)際比對(duì)，并得出千克的國(guó)際“共識(shí)值”。建有相關(guān)復(fù)現(xiàn)裝置的國(guó)家計(jì)量院必須在“共識(shí)值”的基礎(chǔ)上依據(jù)新定義進(jìn)行量值傳遞，直到其獨(dú)立復(fù)現(xiàn)的不確定度達(dá)到與“共識(shí)值”相當(dāng)?shù)乃健?/p>
中國(guó)計(jì)量院已獨(dú)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(cè)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞裝置，以保障未來我國(guó)質(zhì)量量值與國(guó)際等效一致。
據(jù)悉，國(guó)際單位制是全球一致認(rèn)可的測(cè)量體系，包括7個(gè)基本單位，分別是長(zhǎng)度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、時(shí)間單位“秒”、電流強(qiáng)度單位“安培”、熱力學(xué)溫度單位“開爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”。
摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
