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国际单位制迎来历史性变革,“千克”等4项基本单位被重新定义

(2018-11-19)

11月13日~16日,第26届国际计量大会(CGPM)在巴黎召开。巴黎时间11月16日13时左右,53个国际计量局(BIPM)正式成员国的代表聚首凡尔赛会议中心,为国际单位制(SI)修订投出了他们庄严的一票。

经各个成员国表决,最终通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。根据决议,SI基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛加德罗常数NA定义。新定义将从2019年5月20日世界计量日起生效。这是SI自1960年创建以来最为重大的变革,是科学进步的里程碑。

国际测量体系真正实现通用普适

国际单位制(SI)是全球一致认可的测量体系。它的起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。“‘米制’在创立时的愿景即是‘为全人类所用,在任何时代适用’。其初衷是用一种全球一致的‘自然常数’而非某种主观的标准来定义单位,而这一点随着SI的修订真正成为了现实。”国际计量委员会主席白瑞·英格里斯表示。

SI由7个基本单位以及许多导出单位组成。无论是米还是秒,国际单位制必须确保所有日常使用的测量单位,在全球范围内都是可比的、一致的。自启蒙时代起,国际测量界就致力于建立一个“全球通用”的测量系统。最早的时候,测量单位是基于实物或物质的特性来定义的。比如,“米”最早就是用一根刚好1米长的金属棒定义的;1889年工业革命时期,千克的定义是由物理实物来确定的,是一个铂铱合金圆柱体——国际千克原器(IPK)。

但是,这些实物会随时间推移或环境改变而变化,不能满足当今科学研究与技术应用对测量准确度的需要。特别是,7个SI基本单位的定义之间并不是彼此独立的,千克量值的不稳定性,还会影响SI其他基本单位的量值。上世纪以来,科学家们测量了自然界的基本常数,如光速和普朗克常数,准确度越来越高。他们发现这些自然常数不会发生变化,至少比实物稳定一百万倍。

此次修订后,SI定义将第一次独立于它们的复现方式:这些定义不会随着更好的复现方式的出现而过时。国际计量委员会副主席、单位制咨询委主席约阿希姆·乌尔里希举例说:“新定义生效后,千克可以通过任何适当的方法复现,比如基布尔天平法和阿佛加德罗法等,但并不仅限于此。”

正如国际计量局局长马丁·米尔顿在公开发表的声明中所说:“用基本常数作为大家认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础,意味着大家在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。”尽管从表面而言,大多数人并不会看到太大变化。“这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了。”

“退休”与“归队”

自1889年埃菲尔铁塔建成的那一年起,千克就一直是用保存在法国塞夫勒的布勒特伊宫地下保险箱内并罩有3层玻璃钟罩的铂-铱合金圆柱体定义的。

这个所谓的国际千克原器,简称IPK或大K,是所有国家质量标准之源。据中国计量科学研究院从事质量新定义研究的李正坤研究员先容,IPK及其复制品是用十九世纪末二十世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的,在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求。但实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所改变。

据国际计量局官方数据显示,IPK真正“面世”参加国际比对的次数仅有4次。100年间,各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准与IPK的一致性共发生了约0.05 毫克的变化。但IPK质量究竟变化了多少,至今仍然是个谜。在近130年来仅有的4次“面世”中,中国计量科学研究院力声所副所长王健是个幸运儿,因为他赶上了2014年大K最后一次“面世”。

这一年,中国的60号千克原器被王健和同事护送到巴黎参加国际计量局组织的“校准战役”。这也是为了再次验证大K的值是多少,以确保一旦SI修订后,“千克”能平稳过渡。这是一项艰巨的任务,因为它是中国的质量标准之源,在长途跋涉中必须不离身、不被触碰,更不能丢失。“大家向外交部申请了外交信使口袋,并有一名信使队的队员陪同,以保证在专门通道不必安检即快速通关。”王健说。那么,在长途飞行中,这个“宝贝”又是如何被看管的呢?“信使队员与千克原器在公务舱,因为这里脚下的空间位置更宽敞。队员需要去洗手间或走动放松时,大家就来轮流看管。”王健告诉记者,这段护送过程,只有在抵达巴黎的我国大使馆后才能松一口气。在这里,60号千克原器在机要室被拆解签封后即送往国际计量局进行校准。

2014年最后一次“面世”后,大K将在2019年5月20日后彻底“退休”,在为世界科技服役近130年后,它将继续以原有状态保存在法国塞夫勒的布勒特伊宫地下保险箱内,为新定义相关研究和国际比对发挥“余热”,但它将不再出现于任何物理公式中。

“用基本物理常数普朗克常数h重新定义千克后,质量基本单位更加稳定,量值传递更加可靠,大家不必再考虑IPK质量是否发生变化,更不必担心IPK丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的毁灭性灾难。各国的千克标准砝码也就不是必须送去国际计量局校准了。”李正坤表示。

与大K“退休”相反,有两名成员在这次SI修订后,将回归这个大家庭,那就是与电学量紧密相关的克里青常数RK和约瑟夫森常数KJ,国际上曾长期采用基于原SI定义精密测量的1990年约定值。

因发现量子霍尔效应而获得诺贝尔奖的冯·克里青,在11月16日的大会报告中说,SI重新定义后,以他个人名字命名的克里青常数将用h和e计算来得出。可以说,电阻基准又回到了国际单位制的大家庭。冯·克里青甚至在会上开玩笑地说,很乐于见到这个“善终”。

中国的贡献与机遇

国际单位制重新定义将使全球测量体系发生重构,形成多级溯源中心和扁平化溯源甚至零链条的溯源体系,更将对管理体系、国家治理体系以及人的传统观念带来重大影响和挑战。

2005年,国际计量委员会起草了关于重新定义部分SI基本单位的框架草案,并鼓励有能力的国家级实验室开展相关研究工作。

中国计量科学研究院作为我国的国家计量院,始终紧跟国际计量科学前沿,并在SI基本单位复现新理论、新方法等方面持续开展研究。据该院院长方向先容,他们已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿佛加德罗常数等物理常数测量以及量子基准的建立方面取得了系列突破。特别是该院利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为SI温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。

根据国际计量局的官方声明,国际计量局将在千克重新定义以后继续开展关于千克复现基准方法的国际比对,并得出千克的国际“共识值”。目前,中国计量科学研究院已独立建立了基于新定义的千克复现装置,并成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置,可以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

在此次大会上,中国计量科学研究院副院长段宇宁作为中国候选人连任国际计量委员会委员职务,市场监管总局计量司司长谢军当选国际计量委员会选举委员会委员。这将增强我国在国际组织高层的话语权和决策权,提升中国计量地位,争取更大国家利益。


(资讯来源:中国质量报)

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