“千克”的多重定義將有新的定義

資料來源：經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)

不久前，第26屆國際計(jì)量大會(huì)（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(hào)決議。到目前為止，國際測(cè)量系統(tǒng)的七個(gè)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(xué)進(jìn)步的另一個(gè)里程碑。

1公斤有多重？當(dāng)許多人聽到這個(gè)問題時(shí)，他們可能會(huì)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(shí)上，公斤的定義可以追溯到128年前。科學(xué)家將直徑和高度為39mm的鉑銥合金圓柱體作為1公斤的標(biāo)準(zhǔn)重量，即所謂的“國際公斤原裝”（IPK）。它被保存在法國國際計(jì)量局。

根據(jù)第26屆國際計(jì)量會(huì)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(gè)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(rèn)的測(cè)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(shí)施統(tǒng)一的國際測(cè)量系統(tǒng)。

SI由七個(gè)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(qiáng)度單位“坎德拉”。SI必須確保世界上所有日常使用的測(cè)量單位都是可比和一致的。也許幾秒鐘不會(huì)影響烹飪的味道，但對(duì)誰贏得奧運(yùn)會(huì)百米短跑冠軍尤為重要。

國際計(jì)量委員會(huì)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(shí)代’。它的初衷是用全球一致的‘常數(shù)’而不是一些主觀標(biāo)準(zhǔn)來定義單位，這真的是隨著SI的修訂而成為現(xiàn)實(shí)的。”。

正如國際計(jì)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(chǔ)，如質(zhì)量和時(shí)間的理解和定義，這意味著我們?cè)谏罨茖W(xué)認(rèn)知、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和解決許多重大社會(huì)挑戰(zhàn)方面有更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管從表面上看，大多數(shù)人不會(huì)看到太大的變化。

“這就像你把房子換成了一個(gè)更堅(jiān)固的基礎(chǔ)，表面上看不到任何變化，但它實(shí)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(jì)時(shí)技術(shù)已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和衛(wèi)星導(dǎo)航的基礎(chǔ)。新SI也是如此，它將對(duì)未來的科學(xué)、貿(mào)易、健康等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

實(shí)物原器退出歷史舞臺(tái)

根據(jù)SI的修訂，在四個(gè)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(jì)量科學(xué)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(shí)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(fù)制，保證了SI的全面準(zhǔn)確性；新定義不受復(fù)制方法的限制，保證了國際單位制度的未來適用性。

起初，測(cè)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(zhǔn)，總會(huì)有一個(gè)問題：這些物理會(huì)隨著時(shí)間或環(huán)境的變化而變化，不能滿足測(cè)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(huì)有一些無法控制的物理和化學(xué)過程導(dǎo)致其特性的緩慢變化——因此，其保存的值也會(huì)發(fā)生變化。”中國工程院院士、中國計(jì)量研究所首席研究員張中華指出。此外，根據(jù)國際計(jì)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(zhǔn)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(jì)中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類測(cè)量各種物理量的準(zhǔn)確性大大提高，SI單位的時(shí)間和長度已經(jīng)修訂。2005年，國際計(jì)量委員會(huì)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(lì)有能力的國家實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究工作。

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

中國計(jì)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(zāi)難了。”。

中國計(jì)量進(jìn)入量子化時(shí)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(cè)量原理、測(cè)量方法和測(cè)量儀器。例如，集多參數(shù)、高精度為一體的芯片級(jí)綜合測(cè)量，不受環(huán)境干擾，無需校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)測(cè)量。許多物理、化學(xué)和生物量的極限測(cè)量將成為可能，測(cè)量儀器的形式也將得到全面的創(chuàng)新。”國家市場監(jiān)督管理局計(jì)量部主任謝軍說。

謝軍告訴記者，1決議實(shí)施后，通過嵌入芯片級(jí)量子測(cè)量基準(zhǔn)，將能夠使最高測(cè)量精度直接給制造設(shè)備，保持長期穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)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(jìn)，促進(jìn)新一輪以信息技術(shù)、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(rèn)可的校準(zhǔn)和測(cè)量能力已躍居世界第三和亞洲第一。在國際計(jì)量單位制度的重大變化中，中國計(jì)量科學(xué)院作為國家計(jì)量學(xué)院，利用聲學(xué)法和噪聲法測(cè)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(xiàn)。

根據(jù)國際計(jì)量局的官方聲明，在重新定義公斤后，國際計(jì)量局將繼續(xù)進(jìn)行公斤復(fù)制基準(zhǔn)方法的國際比較，并獲得公斤的國際“共識(shí)值”，所有成員國都應(yīng)相應(yīng)地進(jìn)行數(shù)值傳輸。目前，中國計(jì)量院已獨(dú)立建立了基于新定義的kg復(fù)制裝置，并成功開發(fā)了真空質(zhì)量測(cè)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)傳輸裝置。其不確定性將達(dá)到與“共識(shí)值”相同的水平，以確保中國未來的質(zhì)量價(jià)值與國際效果一致。

謝軍表示，中國計(jì)量界將緊緊抓住這一變化帶來的歷史機(jī)遇，加強(qiáng)國家戰(zhàn)略需求的計(jì)量基礎(chǔ)研究和前沿研究，制定量子時(shí)代中國計(jì)量發(fā)展新規(guī)劃(2020-2035年)，加快建設(shè)國家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系。

至于第一個(gè)著陸，應(yīng)該是教科書。在方向上，這需要重建與物理和化學(xué)相關(guān)的科學(xué)知識(shí)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(gè)新的坐標(biāo)系來解釋整個(gè)世界。這不僅挑戰(zhàn)了每個(gè)學(xué)生，也挑戰(zhàn)了每個(gè)教師的教學(xué)方法。”方向說。（記者郭靜遠(yuǎn)）