國際單位制迎來歷史性變革 「千克」到底多重將有新定義

　　前不久，第26屆國際計量大會（CGPM）經包括中國在內的53個成員表決，全票通過了關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。至此，國際測量體系的7個基本單位有史以來第一次全部建立在不變的常數上，保證了SI的長期穩定性和環宇通用性。不少專家表示，SI修訂是科學進步的又一座裡程碑

　　1千克到底多重？不少人聽到這個問題時，可能會陷入迷茫，1千克不就是1公斤嗎？可問題又來了，1公斤又是多重呢？

　　其實，千克的定義能夠追溯到128年以前，科學家們將一個直徑與高度都為39毫米的鉑銥合金圓柱體作為1千克的標準重量，也就是所謂的「國際千克原器」（IPK）。它被保存在法國的國際計量局中。

　　而根據第26屆國際計量大會的最新決議，質量單位「千克」、電流單位「安培」、溫度單位「開爾文」、物質的量單位「摩爾」4個國際單位制（SI）基本單位的定義將改由常數定義，於2019年5月20日起正式生效。

　　用不變的常數替代主觀

　　國際單位制（SI）是全球一致認可的測量體系。它的起源可以追溯至1875年——17國籤署《米制公約》，並正式同意推行統一的國際測量體系。

　　SI由7個基本單位以及許多導出單位組成，這些基本單位除了「千克」「開爾文」「安培」「摩爾」外，還有「秒」「米」，以及發光強度單位「坎德拉」。SI必須確保所有日常使用的測量單位，在全球都是可比的、一致的。或許時間上相差零點幾秒鐘，不會影響烹調口感，但對於誰贏得了奧運會的百米短跑冠軍，卻是尤為重要的。

　　「『米制』在創立之初的願景即是『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『常數』而非某種主觀的標準來定義單位，這一點隨著SI的修訂真正成為現實。」國際計量委員會主席白瑞·英格裡斯說。

　　正如國際計量局局長馬丁·米爾頓在聲明中表示，此次SI的修訂，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。儘管從表面而言，大多數人並不會看到太大變化。

　　「這好比你給房子換了更為堅固的地基，從表面上看不出任何變化，但它其實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的定義一樣——修訂之初，人們並不知道它可以用在哪裡，但現在，基於原子鐘的計時技術已成為網際網路、移動通信和衛星導航等技術的基礎。新SI也是這樣，它將在未來對科學、貿易、健康等更多領域產生深遠影響」。

　　實物原器退出歷史舞臺

　　根據此次SI的修訂，4個基本單位中，千克將用普朗克常數（h）定義，安培將用電子電荷（e）定義，開爾文將用玻爾茲曼常數（k）定義，摩爾將用阿伏伽德羅常數（NA）定義。

　　中國計量科學研究院院長方向指出，新定義用自然界恆定不變的「常數」替代了實物原器，保障了SI的長期穩定性；「定義常數」不受時空和人為因素的限制，保障了SI的客觀通用性；新定義可以在任意範圍復現，保障了SI的全範圍準確性；新定義不受復現方法限制，保障了國際單位制的未來適用性。

　　起初，測量單位是基於實物或物質的特性來定義的。但以實物作為基準，總會遇到一個問題：這些實物會隨時間或環境改變而變化，不能滿足對測量準確度的需求。

　　以用來定義千克的鉑銥合金圓柱體為例，「總會有一些不易控制的物理、化學過程導致它的特性發生緩慢變化——因而，它所保存的量值也會有所改變。」中國工程院院士、中國計量院首席研究員張鍾華指出。另據國際計量局數據顯示，百年來，各國保存的質量基準與國際千克原器的一致性共發生了約0.05毫克的變化。

　　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提高，時間、長度的SI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SI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。

　　當SI修訂生效，國際千克原器將成為千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實物原器將繼續完美保存，為新定義的相關研究和國際比對發揮「餘熱」。

　　「用基本物理常數普朗克常數h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IPK質量是否發生變化，更不必擔心IPK丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的災難。」中國計量院研究員李正坤說。

　　中國計量邁入量子化時代

　　那麼，國際單位制變革將如何影響我們的生活？「重新定義將催生新的測量原理、測量方法和測量儀器。譬如，集多參量、高精度為一體的晶片級綜合測量，不受環境幹擾無需校準的實時測量，眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等將成為可能，測量儀器儀表形態也將全面創新。」市場監管總局計量司司長謝軍說。

　　謝軍告訴記者，1號決議實施後，通過嵌入晶片級量子計量基準，將能夠使最高測量精度直接賦予製造設備並保持長期穩定，從而實現對產品製造全過程更準確穩定地感知和最佳控制，有力支撐流程再造、節能減排和質量提升等，助推當前世界範圍內正在進行的新一輪以信息技術、大數據和人工智慧為特徵的科技革命發展。

　　我國獲得國際互認的校準和測量能力已躍居全球第三、亞洲第一。在這次國際計量單位制重大變革中，作為國家計量院的中國計量科學研究院就利用聲學法和噪聲法兩種方法測得了玻爾茲曼常數，為基本單位「開爾文」的修訂作出了重要貢獻。

　　國際計量局官方聲明顯示，在千克重新定義後，國際計量局將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」，各成員國應據此開展量值傳遞。目前，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，其不確定度將達到與「共識值」相當的水平，以保障未來我國質量量值與國際等效一致。

　　謝軍表示，中國計量界將緊緊抓住這次變革帶來的歷史性機遇，加強面向國家戰略需求的計量基礎研究、前沿性研究，制定量子化時代的中國計量發展新規劃（2020年-2035年），加快構建國家現代先進測量體系。

　　至於最先落地的，應該是教科書。方向說，這需要重構物理、化學相關科學知識體系。「新的國際單位制比原有的要更加抽象，我們基本上可以採用一個新的坐標系來闡述整個世界。這不僅向每個學生提出挑戰，更是對每位老師教學方法的挑戰。」方向說。經濟日報·中國經濟網記者 郭靜原

（責任編輯：符仲明）