國際千克原器重了50微克要退休 千克將被重新定義

2020-12-06 中國新聞網

　　日前，放置在法國巴黎的國際千克原器近期備受關注，因為有消息稱，這個有著128歲高齡的鉑銥合金圓柱體將在2018年結束歷史使命——明年初，包括「千克」(質量)、「開爾文」(溫度)、「安培」(電流)、「摩爾」(物質的量)在內的4項國際單位將被重新定義。

　　平日裡，老百姓買個菜都會涉及「斤兩」的問題，「千克」這一國際單位的重大變革，會給人們生活帶來什麼影響？長江日報記者採訪湖北省計量測試技術研究院力學計量技術研究所副所長、國家一級計量師何運部。他表示，科學技術的發展給質量測量帶來「福利」，質量測量會變得更科學、更合理、更精確。

　　國際千克原器已有128歲

　　「目前7大國際單位制當中，質量單位『千克』是唯一可以靠實物復現的。」何運部介紹，定義千克的是一塊放在法國巴黎國際計量局保險箱裡的標準砝碼——在1889年國際計量大會上批准稱為國際千克原器(IPK)。

　　IPK由90%鉑和10%銥所組成的合金製作，是直徑和高各為39毫米的小金屬圓柱體。高爾夫球大小的它被保存在真空封存的三層玻璃罩內。全球還有許多IPK的複製品，作為各地區校正單位的標準。

　　「我國也有自己的『IPK』。」何運部透露，1959年中國確定以公製作為計量制度後，在1965年引進千克質量單位的基準器，「是由國際計量局檢定、編號為60的千克基準砝碼」，同樣為鉑銥合金製成，放置在真空中，受多層保護。

　　他表示，國家千克基準各國通常只有一個，目的是為建立國家質量量值傳遞系統，確保砝碼的質量由國家基準器逐級傳遞下去。

　　已經「發胖」重了50微克

　　隨著科技的發展，科學家愈加發現，「千克」這種和實物相聯繫的定義已經不能滿足高精尖科技的需求了。因為實物不能亙古不變——巴黎的IPK已經「發胖」了50微克。專家因此笑稱，「這意味著我們比一百多年前的人要『重』」。

　　國際度量衡委員會(CIPM)的新草案一旦在明年的國際度量衡大會上通過，世界測量技術規則將被重構，國際單位制中科學家假設的數值，將全部改由自然界的基礎常數來定義。屆時，基於改用普朗克常數定義的質量自然基準將取代IPK，成為國際質量單位新的源頭。

　　在何運部看來，國際質量單位千克重新定義「是件好事」，意味著科學技術的發展給質量測量帶來「福利」，損耗進一步降低，「質量測量會變得更科學、更合理、更精確。大家不要忘了，秒的重新定義實現了電信、衛星導航等很多技術以及股票市場的精準的計時，成就了數萬億美元的衛星導航定位產品與服務市場。」何運部說，從科學行業來看，包括飛行器、汽車、化學製品、半導體材料、火箭配藥等，質量測量都起著至關重要的作用。「質量的精準測量支撐著納米技術和石墨烯的應用，將提升先進位造中航空發動機的精度、推進精準醫療產業的發展」。

　　普通老百姓會認為，這麼高大上的改變似乎和我的生活沒啥關係。但像金銀首飾的測量其實已經精確到毫克了，IPK過去100年已「胖」了50微克，相當於0.00025克拉鑽石的重量。屆時國際質量標準發生改變，如果沒有跟上改變的節奏，購買黃金、寶石時發生的糾紛可想而知。

　　「但大家不必擔心，因為我國已經建立了『高準確度真空質量測量系統』，成功解決了2018年國際質量單位千克重新定義後質量量值傳遞技術關鍵問題。」何運部說，我國的「高準確度真空質量測量系統」靈敏度達到國際先進水平，為保障未來我國質量量值與國際等效一致奠定了技術基礎。

　　保存在法國巴黎國際計量局的國際千克原器

　　千克由長度單位推導而來

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　　湖北省計量測試技術研究院保存在專用透明盒子內的「千克基準砝碼」

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　　湖北也有千克基準砝碼

　　就在光谷

　　戴手套隔著綢布拿取每年要校準

　　千年前

　　古代質量單位和長度單位的情況相似，也有多種多樣的形式。例如：在波斯用卡拉薩作質量的單位，約合0.834千克；埃及用格德特，約合9.33克；我國秦代度量衡制度中規定：1石＝4鈞，1鈞＝30斤，1斤＝16兩，與現代國際單位制比較，1斤約合0.256千克；英制中以磅、盎司、打蘭、格令作單位：1磅＝16盎司＝265打蘭＝7000格令。

　　百年前

　　最初的千克質量單位是由18世紀末法國採用的長度單位米推導出來的——1立方分米純水在最大密度(溫度約為4攝氏度)時的質量，就定為1千克。1799年法國在製作鉑質米原器的同時，也製成了鉑質千克基準，保存在巴黎檔案局。

　　然而後來科學家發現，這個基準並不準確。於是在1875年米制公約會議之後，用含90%鉑、10%銥的合金製成3個千克原器，選定其中之一作為國際千克原器。

　　這個國際千克原器用三層玻璃罩好，最外一層玻璃罩裡抽成半真空，以防空氣和雜質進入。隨後又複製了40個鉑銥合金圓柱體，經過與國際千克原器校準後，分發給各會員國作為國家基準。

　　在第二次世界大戰前，擁有國際千克複製件曾是一個國家的無上榮耀。

　　十年前

　　跟米原器一樣，千克原器也要進行周期性的檢定，以確保質量基準的穩定可靠。但是在2007年的一次檢查中，相關人員發現國際千克原器減輕了大約50毫克。國際質量和測量局的物理學家裡查德·戴維斯說，「我們尚未找出任何合理的原因，還不能確定究竟是標準砝碼的材料質量變輕了，還是國家現行的通用砝碼變重了。」據中新社

　　「中國的秤都是通過砝碼校準，而砝碼自身也需要檢定。」何運部介紹，生活中，大家常見的砝碼基本由銅合金、非磁性不鏽鋼、鋁合金製成，形狀有塊狀、片狀、環狀、棒狀等。

　　「湖北省計量測試技術研究院也有千克基準砝碼，即千克元器，作為國家副基準，用於市面上砝碼的檢定或專業質量測量。」他透露，存放在位於光谷的高精度恆溫實驗室裡的千克元器，由非磁性不鏽鋼製成，有著嚴格的保護裝置，裡面放有乾燥塔，確保環境溼度達到要求。

　　「使用它時，在一個非常乾淨的空間，溫度、溼度要求很高，是實驗室裡的實驗室。」何運部說，相當於在一個大房間套著的小房間裡測量，不足10平方米。為避免磨損和碰傷，使用過程中，計量師必須戴上乾淨的手套，隔著綢布來拿它，「手一定不能直接沾到千克元器」。

　　1988年5月1日，中南國家計量測試中心成立，成為全國較早的大區級國家法定計量鑑定機構，當時就有了中南大區最高等級的E1等級砝碼及標準裝置。

　　「國內共有六個副基準，與國家基準一樣，也是不能隨便亂動它的。中南地區的唯一一個就在我們這裡。」何運部說，湖北省計量測試技術研究院的千克元器是經國家鑑定、批准的計量器具，通過與國家基準比對或校準來確定其量值，其地位僅次於國家基準。一旦國家基準出現損壞，副基準可以代替國家基準。

　　「我們每年都會拿去中國計量科學研究院校準。國內計量組織的千克元器校對標準是一年一次，通過天平校準，基準就是我國自己的『IPK』。」何運部說，到了一定時候，每個國家還會拿著「自家」的質量單位基準器去國際度量衡大會上比對，一般3—5年是一個校準周期，以保障各國質量量值與國際等效一致。比對完後，我國會把比對好的標準帶回來，逐級傳遞到國內計量部門。

　　由於未來的質量單位將在真空中實現，而日常生活的質量工作標準——砝碼仍是在空氣中使用的，這給質量量值的傳遞方式帶來了一系列問題——除了需要將保存在真空中的質量標準傳遞到空氣中外，還必須對環境參數進行測量和實時修正。

　　記者高萌

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