就像一位年邁的君主，“大K”即將向現代化低頭。130年來(lái)，這個(gè)閃閃發(fā)光的鉑銥合金圓柱體一直是世界質(zhì)量標準。

眾所周知的“1千克”這一質(zhì)量單位由一個(gè)直徑和高度同約為39毫米的鉑銥合金圓柱體定義，即“國際千克原器”，外號為“大K”?！按驥”原器保存在巴黎西郊一間地下儲藏室內。

法國塞夫勒的國際度量衡局（BIPM）每隔40年左右就會(huì )把“大K”取出來(lái)，在世界各地校準重量。但其質(zhì)量受空氣污染和氧化等因素影響出現了細微變化，已難以適應現代精密測量的要求。因此科學(xué)界一直想用一種基于物理常數的定義將其取代。

11月16日，第26屆國際計量大會(huì )（CGPM）經(jīng)各個(gè)成員國表決，通過(guò)了關(guān)于“修訂國際單位制”的決議。根據決議，國際單位制基本單位中的4個(gè)——千克、安培、開(kāi)爾文、摩爾分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數、阿佛加德羅常數定義。決議將于下一個(gè)國際計量日，即2019年5月20日正式生效。

盡管這些單位的大小不會(huì )發(fā)生變化——1千克還將是原來(lái)的1千克，但修訂后的4個(gè)單位將與秒、米和坎德拉一起，共同提高國際單位制的整體穩定性和實(shí)用性。

這是國際單位制自1960年創(chuàng )建以來(lái)最為重大的一次變革?！皣H單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑?！盉IPM局長(cháng)馬丁·米爾頓表示，“用基本常數作為我們認識和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎，意味著(zhù)我們在深化科學(xué)認知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì )重大挑戰方面的基礎更加堅實(shí)了?！?/p>

實(shí)物原器將退出歷史舞臺

自啟蒙時(shí)代起，國際測量界就致力于建立一個(gè)“全球通用”的測量系統。用實(shí)物作為測量基準雖是可行的方式，但也是測量界想要盡早摒棄的方式。

值得注意的是，這次修改重寫(xiě)了用于定義單位的最后一個(gè)物理工件“大K”的命運。即最受關(guān)注的“千克”定義，將以量子力學(xué)中的普朗克常數為基準，其原理是將移動(dòng)質(zhì)量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數表達的電磁力，再通過(guò)質(zhì)能轉換公式算出質(zhì)量。

因此，從2019年國際計量日開(kāi)始， “大K”將繼續以原有狀態(tài)保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險箱內，為新定義相關(guān)研究和國際比對發(fā)揮“余熱”，但它將不再出現于任何物理公式中。

中國計量院從事質(zhì)量新定義研究的研究員李正坤介紹，“大K”及其復制品是用19世紀末至20世紀初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當時(shí)也滿(mǎn)足了對于計量基準的準確度及穩定性的要求。但實(shí)物基準一旦制成后，總會(huì )有一些不易控制的物理、化學(xué)過(guò)程使它的特性緩慢地發(fā)生變化，因而它所保存的量值也會(huì )有所改變。

BIPM官方數據顯示，100年間，各國保存的質(zhì)量基準、BIPM官方作證基準與“大K”的一致性共發(fā)生了約0.05毫克的變化。但“大K”質(zhì)量究竟變化了多少至今仍然是個(gè)謎。

“用基本物理常數普朗克常數重新定義千克后，質(zhì)量基本單位更加穩定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮‘大K’質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必擔心‘大K’丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統一帶來(lái)的毀滅性災難?！崩钫け硎?。

此次國際單位制的修訂，第一次使所有的基本單位和導出單位都建立在恒定不變、全球通用的常數上——國際測量界多年夙愿成為了現實(shí)。

“給房子換個(gè)更堅實(shí)的地基”

在新定義生效前后，計量單位的大小不會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化，也就是說(shuō)，1千克還是原來(lái)的1千克，測量結果在很高的準確度水平上仍然是一致的。那么，這次修訂又有什么意義呢？

“這好比你給房子換了一個(gè)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(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了?！泵谞栴D說(shuō)。

國際單位制的起源可以追溯至1875年——十七國簽署《米制公約》并正式同意推行統一的國際測量體系。

“‘米制’在創(chuàng )立時(shí)的愿景即‘為全人類(lèi)所用，在任何時(shí)代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘自然常數’而非某種主觀(guān)的標準來(lái)定義單位，而這一點(diǎn)隨著(zhù)國際單位制的修訂真正成為了現實(shí)?！眹H計量委員會(huì )主席白瑞·英格里斯表示。

這是國際單位制定義第一次獨立于這些被定義單位的復現方式。也就是說(shuō)，這些定義不會(huì )隨著(zhù)新復現方式的出現而過(guò)時(shí)。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導線(xiàn)間的電磁作用力”，這意味著(zhù)電流需要采用一定的復現方式來(lái)定義。但是，隨著(zhù)約瑟夫森效應和量子化霍爾效應的出現，舊的定義方式過(guò)時(shí)了。而安培的新定義則只和一定時(shí)間內通過(guò)的電子數有關(guān)，并不涉及復現方式。

“新定義生效后，千克可以通過(guò)任何適當的方法復現，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此?！眹H計量委員會(huì )副主席約阿希姆·烏爾里希表示。

米爾頓在公開(kāi)發(fā)表的聲明中說(shuō)，用基本常數作為人們認識和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎，意味著(zhù)人們在深化科學(xué)認知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì )重大挑戰方面的基礎更加堅實(shí)了。

但另一方面，即便是那些變革的支持者也承認，這可能會(huì )讓非專(zhuān)業(yè)人士感到困惑?！邦^腦冷靜的人會(huì )說(shuō)，‘我們該怎么教人們使用這種單位？’”馬里蘭州美國國家標準與技術(shù)研究所物理學(xué)家Jon Pratt說(shuō)。

國際單位制修訂的中國貢獻

早在20世紀中葉，隨著(zhù)量子技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高，時(shí)間、長(cháng)度的國際單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計量委員會(huì )起草了關(guān)于采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，建議采用普朗克常數定義千克等，并鼓勵有能力的國家級實(shí)驗室開(kāi)展相關(guān)研究工作。

記者了解到，截至目前，中國計量科學(xué)研究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一系列突破，他們還利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得玻爾茲曼常數，為國際單位制溫度基本單位開(kāi)爾文的修訂作出了重要貢獻。

BIPM官方聲明顯示，該局將在千克重新定義以后繼續開(kāi)展關(guān)于千克復現基準方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”。建有相關(guān)復現裝置的國家計量院必須在“共識值”的基礎上依據新定義進(jìn)行量值傳遞，直到其獨立復現的不確定度達到與“共識值”相當的水平。

中國計量院已獨立建立了基于新定義的千克復現裝置，并成功研制了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標準傳遞裝置，以保障未來(lái)我國質(zhì)量量值與國際等效一致。

據悉，國際單位制是全球一致認可的測量體系，包括7個(gè)基本單位，分別是長(cháng)度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、時(shí)間單位“秒”、電流強度單位“安培”、熱力學(xué)溫度單位“開(kāi)爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”和發(fā)光強度單位“坎德拉”。

摘自《中國科學(xué)報》