國際計量標準開啟新紀元 「千克」等4項基本單位被重新定義

就像一位年邁的君主，「大K」即將向現代化低頭。

130年來，這個閃閃發光的鉑銥合金圓柱體一直是世界質量標準。

眾所周知的「1千克」這一質量單位由一個直徑和高度同約為39毫米的鉑銥合金圓柱體定義，即「國際千克原器」，外號為「大K」。「大K」原器保存在巴黎西郊一間地下儲藏室內。

法國塞夫勒的國際度量衡局（BIPM）每隔40年左右就會把「大K」取出來，在世界各地校準重量。

但其質量受空氣汙染和氧化等因素影響出現了細微變化，已難以適應現代精密測量的要求。

因此科學界一直想用一種基於物理常數的定義將其取代。

11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經各個成員國表決，通過了關於「修訂國際單位制」的決議。

根據決議，國際單位制基本單位中的4個——千克、安培、開爾文、摩爾分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數、阿佛加德羅常數定義。

決議將於下一個國際計量日，即2019年5月20日正式生效。

儘管這些單位的大小不會發生變化——1千克還將是原來的1千克，但修訂後的4個單位將與秒、米和坎德拉一起，共同提高國際單位制的整體穩定性和實用性。

這是國際單位制自1960年創建以來最為重大的一次變革。

「國際單位制的修訂是科學進步的一座裡程碑。」BIPM局長馬丁·米爾頓表示，「用基本常數作為我們認識和定義質量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著我們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。」

實物原器將退出歷史舞臺

自啟蒙時代起，國際測量界就致力於建立一個「全球通用」的測量系統。用實物作為測量基準雖是可行的方式，但也是測量界想要儘早摒棄的方式。

值得注意的是，這次修改重寫了用於定義單位的最後一個物理工件「大K」的命運。

即最受關注的「千克」定義，將以量子力學中的普朗克常數為基準，其原理是將移動質量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數表達的電磁力，再通過質能轉換公式算出質量。

因此，從2019年國際計量日開始， 「大K」將繼續以原有狀態保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險箱內，為新定義相關研究和國際比對發揮「餘熱」，但它將不再出現於任何物理公式中。

中國計量院從事質量新定義研究的研究員李正坤介紹，「大K」及其複製品是用19世紀末至20世紀初工業界所能提供的最好的材料及工藝製成的，在當時也滿足了對於計量基準的準確度及穩定性的要求。

但實物基準一旦製成後，總會有一些不易控制的物理、化學過程使它的特性緩慢地發生變化，因而它所保存的量值也會有所改變。

BIPM官方數據顯示，100年間，各國保存的質量基準、BIPM官方作證基準與「大K」的一致性共發生了約0.05毫克的變化。

但「大K」質量究竟變化了多少至今仍然是個謎。

「用基本物理常數普朗克常數重新定義千克後，質量基本單位更加穩定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮『大K』質量是否發生變化，更不必擔心『大K』丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的毀滅性災難。」李正坤表示。

此次國際單位制的修訂，第一次使所有的基本單位和導出單位都建立在恆定不變、全球通用的常數上——國際測量界多年夙願成為了現實。

「給房子換個更堅實的地基」

在新定義生效前後，計量單位的大小不會發生顯著變化，也就是說，1千克還是原來的1千克，測量結果在很高的準確度水平上仍然是一致的。

那麼，這次修訂又有什麼意義呢？

「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，但它可能已經發生了實質性的變化，使房子變得更耐久了。」米爾頓說。

國際單位制的起源可以追溯至1875年——十七國籤署《米制公約》並正式同意推行統一的國際測量體系。

「『米制』在創立時的願景即『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』而非某種主觀的標準來定義單位，而這一點隨著國際單位制的修訂真正成為了現實。」國際計量委員會主席白瑞·英格裡斯表示。

這是國際單位制定義第一次獨立於這些被定義單位的復現方式。也就是說，這些定義不會隨著新復現方式的出現而過時。

以安培為例，其舊定義是「兩條間隔一定距離的導線間的電磁作用力」，這意味著電流需要採用一定的復現方式來定義。

但是，隨著約瑟夫森效應和量子化霍爾效應的出現，舊的定義方式過時了。而安培的新定義則只和一定時間內通過的電子數有關，並不涉及復現方式。

「新定義生效後，千克可以通過任何適當的方法復現，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但並不僅限於此。」國際計量委員會副主席約阿希姆·烏爾裡希表示。

米爾頓在公開發表的聲明中說，用基本常數作為人們認識和定義質量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著人們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。

但另一方面，即便是那些變革的支持者也承認，這可能會讓非專業人士感到困惑。「頭腦冷靜的人會說，『我們該怎麼教人們使用這種單位？』」

馬裡蘭州美國國家標準與技術研究所物理學家Jon Pratt說。

國際單位制修訂的中國貢獻

早在20世紀中葉，隨著量子技術的發展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高，時間、長度的國際單位先後經歷了修訂。

2005年，國際計量委員會起草了關於採用基本物理常數重新定義部分國際單位制基本單位的框架草案，建議採用普朗克常數定義千克等，並鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關研究工作。

記者了解到，截至目前，中國計量科學研究院已在玻爾茲曼常數、普朗克常數和阿佛加德羅常數等物理常數測量以及量子基準的建立方面取得了一系列突破，他們還利用聲學法和噪聲法兩種方法測得玻爾茲曼常數，為國際單位制溫度基本單位開爾文的修訂作出了重要貢獻。

BIPM官方聲明顯示，該局將在千克重新定義以後繼續開展關於千克復現基準方法的國際比對，並得出千克的國際「共識值」。

建有相關復現裝置的國家計量院必須在「共識值」的基礎上依據新定義進行量值傳遞，直到其獨立復現的不確定度達到與「共識值」相當的水平。

中國計量院已獨立建立了基於新定義的千克復現裝置，並成功研製了真空質量測量和質量標準傳遞裝置，以保障未來我國質量量值與國際等效一致。

據悉，國際單位制是全球一致認可的測量體系，包括7個基本單位，分別是長度單位「米」、質量單位「千克」、時間單位「秒」、電流強度單位「安培」、熱力學溫度單位「開爾文」、物質的量單位「摩爾」和發光強度單位「坎德拉」。

《中國科學報》 (2018-11-20 第3版 國際)

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