“千克”的多重定義將有新的定義

資料來源：經(jīng)濟日報

不久前，第26屆國際計量大會（CGPM）經(jīng)包括中國在內(nèi)的53名成員表決，全票通過了“修訂國際單位制”（SI）“1號決議。到目前為止，國際測量系統(tǒng)的七個基本單位都首次建立在不變的常數(shù)上，以確保SI的長期穩(wěn)定性和環(huán)宇的通用性。許多專家表示，SI修訂是科學進步的另一個里程碑。

1公斤有多重？當許多人聽到這個問題時，他們可能會感到困惑。1公斤不是1公斤嗎？但問題又來了。1公斤有多重？

事實上，公斤的定義可以追溯到128年前?？茖W家將直徑和高度為39mm的鉑銥合金圓柱體作為1公斤的標準重量，即所謂的“國際公斤原裝”（IPK）。它被保存在法國國際計量局。

根據(jù)第26屆國際計量會議的最新決議，質(zhì)量單位“公斤”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、摩爾是四個國際單位的物質(zhì)量單位（SI）基本單位的定義將改為常數(shù)定義，自2019年5月20日起正式生效。

用不變常數(shù)代替主觀常數(shù)

國際單位制（SI）它是世界公認的測量系統(tǒng)。其起源可追溯到1875-17國簽署《米制公約》，并正式同意實施統(tǒng)一的國際測量系統(tǒng)。

SI由七個基本單位和許多出口單位組成。除了“公斤”、“開爾文”、“安培”和“摩爾”，這些基本單位還包括“秒”、“米”和發(fā)光強度單位“坎德拉”。SI必須確保世界上所有日常使用的測量單位都是可比和一致的。也許幾秒鐘不會影響烹飪的味道，但對誰贏得奧運會百米短跑冠軍尤為重要。

國際計量委員會主席白瑞英格里斯說：“‘米制’在成立之初的愿景是‘適用于全人類，適用于任何時代’。它的初衷是用全球一致的‘常數(shù)’而不是一些主觀標準來定義單位，這真的是隨著SI的修訂而成為現(xiàn)實的。”。

正如國際計量局局長馬丁米爾頓在聲明中所說，SI的修訂以基本常數(shù)作為自然界基本概念的基礎，如質(zhì)量和時間的理解和定義，這意味著我們在深化科學認知、促進技術進步和解決許多重大社會挑戰(zhàn)方面有更堅實的基礎。盡管從表面上看，大多數(shù)人不會看到太大的變化。

“這就像你把房子換成了一個更堅固的基礎，表面上看不到任何變化，但它實際上使房子更耐用。馬丁米爾頓說：“就像1967年用原子特性修改秒的定義一樣，人們不知道它可以在哪里使用，但現(xiàn)在，基于原子鐘的計時技術已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和衛(wèi)星導航的基礎。新SI也是如此，它將對未來的科學、貿(mào)易、健康等領域產(chǎn)生深遠的影響。

實物原器退出歷史舞臺

根據(jù)SI的修訂，在四個基本單位中，公斤將使用普朗克常數(shù)（h）定義安培將使用電子電荷（e）定義開爾文將使用玻爾茲曼的常數(shù)（k）定義摩爾將使用阿伏伽德羅的常數(shù)（NA）定義。

中國計量科學院院長指出，新定義取代了自然恒定的“常數(shù)”，保證了SI的長期穩(wěn)定性；“定義常數(shù)”不受時間、空間和人為因素的限制，保證了SI的客觀通用性；新定義可以在任何范圍內(nèi)復制，保證了SI的全面準確性；新定義不受復制方法的限制，保證了國際單位制度的未來適用性。

起初，測量單位是根據(jù)物理或物質(zhì)的特性來定義的。然而，以物理為基準，總會有一個問題：這些物理會隨著時間或環(huán)境的變化而變化，不能滿足測量精度的需要。

以用來定義公斤的鉑銥合金圓柱體為例，“總會有一些無法控制的物理和化學過程導致其特性的緩慢變化——因此，其保存的值也會發(fā)生變化?！敝袊こ淘涸菏?、中國計量研究所首席研究員張中華指出。此外，根據(jù)國際計量局的數(shù)據(jù)，在過去的一百年里，各國保存的質(zhì)量基準與國際公斤原器的一致性發(fā)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(fā)展，人類測量各種物理量的準確性大大提高，SI單位的時間和長度已經(jīng)修訂。2005年，國際計量委員會起草了重新定義一些SI基本單位的框架草案，建議使用普朗克常數(shù)定義公斤，并鼓勵有能力的國家實驗室開展相關研究工作。

當SI修訂生效時，國際公斤原始設備將成為公斤定義的歷史。這種為世界科技服務了近130年的物理原始設備將繼續(xù)完美保存，并為新定義的相關研究和國際比較發(fā)揮“余熱”。

中國計量院研究員李正坤說：“基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)h重新定義公斤后，基本質(zhì)量單位更加穩(wěn)定，數(shù)值傳遞更加可靠。我們不必考慮IPK質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不用說IPK丟失和損壞可能給全球質(zhì)量值統(tǒng)一帶來的災難了?！薄?/p>

中國計量進入量子化時代

那么，國際單位制度的改革將如何影響我們的生活呢？”重新定義將產(chǎn)生新的測量原理、測量方法和測量儀器。例如，集多參數(shù)、高精度為一體的芯片級綜合測量，不受環(huán)境干擾，無需校準的實時測量。許多物理、化學和生物量的極限測量將成為可能，測量儀器的形式也將得到全面的創(chuàng)新?！眹沂袌霰O(jiān)督管理局計量部主任謝軍說。

謝軍告訴記者，1決議實施后，通過嵌入芯片級量子測量基準，將能夠使最高測量精度直接給制造設備，保持長期穩(wěn)定，實現(xiàn)更準確、穩(wěn)定的感知和最佳控制，大力支持流程再造、節(jié)能減排和質(zhì)量改進，促進新一輪以信息技術、大數(shù)據(jù)和人工智能為特征的科技革命發(fā)展。

中國獲得國際認可的校準和測量能力已躍居世界第三和亞洲第一。在國際計量單位制度的重大變化中，中國計量科學院作為國家計量學院，利用聲學法和噪聲法測量了玻爾茲曼常數(shù)，為基本單位“開爾文”的修訂做出了重要貢獻。

根據(jù)國際計量局的官方聲明，在重新定義公斤后，國際計量局將繼續(xù)進行公斤復制基準方法的國際比較，并獲得公斤的國際“共識值”，所有成員國都應相應地進行數(shù)值傳輸。目前，中國計量院已獨立建立了基于新定義的kg復制裝置，并成功開發(fā)了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標準傳輸裝置。其不確定性將達到與“共識值”相同的水平，以確保中國未來的質(zhì)量價值與國際效果一致。

謝軍表示，中國計量界將緊緊抓住這一變化帶來的歷史機遇，加強國家戰(zhàn)略需求的計量基礎研究和前沿研究，制定量子時代中國計量發(fā)展新規(guī)劃(2020-2035年)，加快建設國家現(xiàn)代先進測量體系。

至于第一個著陸，應該是教科書。在方向上，這需要重建與物理和化學相關的科學知識體系。”新的國際單位系統(tǒng)比原來的系統(tǒng)更抽象，我們基本上可以使用一個新的坐標系來解釋整個世界。這不僅挑戰(zhàn)了每個學生，也挑戰(zhàn)了每個教師的教學方法?！狈较蛘f。（記者郭靜遠）