重新「丈量」世界 ——千克等單位將被重新定義,國際單位制迎來...

2021-01-08 光明時政

一千克是多少？我們通常通過砝碼來固化這個單位概念。但現在，千克的內涵將發生重大變化，砝碼等測量實物將退出歷史舞臺，走上國際單位制舞臺中央的，將是量子等自然常數。

11月16日，第26屆國際計量大會經各個成員國表決，最終通過了關於「修訂國際單位制」的1號決議。根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾等4個國際單位制分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA來定義。國際計量局表示，這是國際單位制自創建以來的最重大的變革，用實物原器定義測量單位的方法成為歷史，這將從根本上保證國際單位制的長期穩定性，對科技創新、產業發展和全球治理等影響深遠。

國際千克原器

　　自然常數比實物更穩定

　　根據國際單位制，我們日常所用的測量單位有7個：時間單位「秒」、長度單位「米」、質量單位「千克」、熱力學溫度「開爾文」、電流單位「安培」、發光強度單位「坎德拉」和物質的量單位「摩爾」。起初，測量單位是基於實物或物質的特性來定義的。以千克為例，其定義來自於一塊保存在國際計量局的鉑銥合金圓柱體，即「國際千克原器」（IPK）的質量，這個圓柱體就是世界上千克這個單位的基準實物。

　　但是，以實物作為基準，會遇到一個問題：這些實物會隨時間推移或環境改變而變化，不能滿足當今科學研究與技術應用對測量準確度的需要。「國際千克原器及其複製品是用19世紀末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發生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會有所改變。」中國計量院從事質量新定義研究的研究員李正坤指出。

　　據國際計量局官方數據顯示，百年來各國保存的質量基準、國際計量局官方作證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。但國際千克原器質量究竟變化了多少，至今仍然是個迷。

　　鑑於實物本身的不穩定性，測量界一直以來都在致力於建立一個不依賴於物理實物的測量體系。20世紀以來，科學家們測量了自然界的基本常數，如光速和普朗克常數，準確度越來越高。他們發現這些常數比實物更加穩定，並將這些常數的數值固定下來。這些自然常數不會發生變化，至少比實物穩定一百萬倍。

　　「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，我們不必再考慮國際千克原器質量是否發生變化，更不必擔心國際千克原器丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的毀滅性災難。」李正坤說，千克將改用普朗克這個量子物理的基本常數，適用於任何地點、任何時間。

　　中國作出了重要貢獻

　　與千克一樣，安培、開爾文、摩爾這三個測量單位也將不再依賴實物，而用自然常數。它們將與此前已重新定義的秒、米和坎德拉一起，共同構成新的測量體系。國際計量局局長馬丁·米爾頓表示，國際單位制不再需要基準實物，而以量子等自然界基本物理常數為基礎來重新定義，更具有穩定性和普適性。新定義將利用「自然法則創建測量法則」，將原子及量子級的測量與宏觀世界的測量聯繫在一起。

　　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、長度的單位已經先後經歷了修訂。比如，時間基準率先完成量子化變革，以銫-133原子超精細能級躍遷頻率來定義秒，測量精度提升了1000萬倍以上；米定義為光在真空中於1/299792458秒（接近三億分之一秒）內行進的距離，準確度比國際米原器大幅提高。

　　2005年，國際計量委員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，並鼓勵相關研究機構開展相關研究工作。作為我國的國家計量院，中國計量科學研究院在國際單位制基本單位復現新理論、新方法等方面持續開展研究。所謂復現，指在不同的時間和地點可以根據定義來實現一千克、一安培等單位的重現。

　　截至目前，中國計量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系列突破。特別是利用聲學法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數，為溫度基本單位開爾文的修訂作出了重要貢獻。另外，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，可以保障未來我國質量量值與國際等效一致。

　　更精準的測量單位可推動科技進步

　　國際單位制的新定義生效後，我們在日常生活中可能很難感受到變化。「事實上，電壓單位伏特的量值將僅發生大約一千萬分之一的變化，歐姆的變化則更小，千克、開爾文、摩爾的變化更是微乎其微。」馬丁·米爾頓坦言。

　　或許有人會問，測量單位的變化如此微妙、對精準度的追求如此極致，有何意義？

　　馬丁·米爾頓說，我們目前正處於量子或數位化革命的開端，用自然常數定義測量單位，是適應下一代科學發展的需要。「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。」

　　「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。」他說，就像1967年用原子的特性修訂秒定義一樣——儘管在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。

　　例如，衛星導航系統的準確性與我們使用秒來測量時間的能力有關，精確導航之所以能夠實現，正是因為我們有了更準確的秒的定義。基於秒的定義和原子鐘對秒的復現，我們才能夠測量時間，使用GPS進行更加有效和更加精準的定位。而在精密製造、精準醫療等對長度的測量需要精確到幾何級的領域，米的重新定義也至關重要。「重新定義的測量單位將在未來對科學、技術、貿易、健康、環境以及更多領域產生深遠影響。」馬丁·米爾頓說。（光明日報融媒體記者陳海波）

[責編：石佳]

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