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为科技界服役130年 国际千克原器可能要退休了

来源:科技日报    发布日期:2018-11-15

    11月16日,来自60多个国家的计量科学家将汇聚在法国凡尔赛,共同见证对“修订国际单位制”的1号决议进行的表决,届时,7个基本单位中的4个或将改由物理常数重新定义。

    一千克究竟有多重?这个看似简单的问题,科学家却探索了百年。 

    11月13日,由国际计量局组织的第26届国际计量大会在法国凡尔赛开幕。在国际计量局物理计量所功率天平组工作的李世松博士正在会议现场,他在接受科技日报记者采访时表示,本次会议是科技界期盼已久的盛会,因为会议有一项重要议程——对“修订国际单位制(SI)”的1号决议进行表决。

    16日,来自世界60多个国家的计量科学家将共同在现场见证此次表决。如果决议获得通过,7个国际单位制基本单位中,有4个将被重新定义,届时,7个基本单位将全部由基本物理常数定义。新国际单位体系将于2019年国际计量日(5月20日)起正式生效。这将是1875年《米制公约》签署以来,国际测量体系面临的最重大变革,对科技创新、产业发展影响深远。

    修订后基本单位量值更稳定

    “这次单位修正,共涉及4个基本单位。质量单位千克将采用普朗克常数定义,电流单位安培将采用基本电荷量定义,物质的量单位摩尔将采用阿佛加德罗常数定义,温度单位开尔文将采用玻尔兹曼常数定义。用这些不变的参考基准作为测量的基础,意味着这些单位的定义在未来是可靠、不变的。”李世松告诉记者。

    启蒙时代起,测量界就致力于建立一个寰宇通用的测量系统。用实物作为测量基准虽然是一个可行的方式,但因为实物很容易受到人为或环境因素的损坏,稳定性会受到影响,测量界一直想要尽早摒弃这种方式。

    同时,随着高精尖科技的发展,我们也需要更稳定、准确的测量。于是,用物理常数重新定义国际基本单位的方案被提了出来。用常数的方式定义测量单位意味着这些定义将适应下一代科学发现的需要。

    本次国际单位制的修订将使所有的基本单位都建立在我们描述自然界所用的基本物理常数上。由这些自然常数组成寰宇通用的测量基础,将使科学界、工业界和人类社会拥有一个更加可靠、一致、全范围(大至很大,小至很小)的测量系统。

    据了解,质量单位千克的现行定义是一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体——“国际千克原器”的质量;电流单位安培的现行定义是一恒定电流,若它保持在处于真空中相距1米的两根无限长而横截面大小可被忽略的平行直导线内,则这两根导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7牛顿;物质的量单位摩尔的现行定义是所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等;而温度单位开尔文的现行定义则等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

    李世松表示,这次国际单位制修订的主要目的,是消除现行定义中所使用的实物基准随时间、地点、环境产生的未知漂移,建立一套与基本物理常数挂钩,适用于自然界基本物理定律的,对相应量值的复现不受时间、地点、环境约束的国际单位新体制。

    国际千克原器发生50微克漂移

    由于质量单位千克是目前唯一还在使用实物基准定义的基本单位,因此科技日报记者独家采访了中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所副所长王健研究员,请他详细介绍有关质量单位千克的定义的来龙去脉。

    王健介绍,早在1799年,科学家们就发现水在4摄氏度时的密度最为稳定,因此将4摄氏度时1立方分米水的质量定义为1千克。然而,由于以水为标准的质量既不方便又不稳定,1889年,千克又被批准由一块采用工业革命技术打造的铂铱合金圆柱体来定义,其中铂含量为90%,铱含量为10%,铂铱合金满足了千克原器稳定性和耐腐蚀性要求。

    千克用千克原器定义后,千克原器就被保存在国际计量局,用三层玻璃钟罩保护,最外一层抽成半真空,以防止空气和杂质进入。在为科技界服役的130年内,为保证千克原器的绝对安全,原器被保存在国际计量局的一个保险箱内,保险箱必须由三把钥匙同时打开。这三把钥匙分别保存在国际计量局局长、国际计量委员会主席和法国国家档案馆馆长手中。

    千克采用国际千克原器定义后,有个问题计量学家们十分关心:这样的定义到底有多稳定?会随着时间的推移发生漂移吗?

    应该说,这个问题在定义质量单位千克之初就被提了出来,例证是,在1889年进行千克定义时,国际计量局就制作了7个铂铱合金千克砝码,其中的一个,即国际千克原器,用于质量单位千克的定义,而其他6个采用同种材料、同种工艺制作的砝码,则作为副基准,用于检查彼此之间是否存在随时间变化的漂移。

    “根据国际计量局的官方数据,在1889—2014年的100多年间,其他千克原器与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。这表明质量单位的实物基准的稳定性存在问题,虽然50微克的变化听起来很小,但对一些高精尖产业来讲影响却很大。”王健说。

    他表示,如果使用基本物理常数取代千克实物基准,质量单位的稳定性就不会受到空间和时间的影响。因此,国际计量委员会于2005年起草了关于采用基本物理常数定义部分国际单位制基本单位的框架草案,建议采用普朗克常数定义质量单位千克,并鼓励有能力的国家级实验室开展相关科研工作。

    “在重新定义千克的过程中最关键的是普朗克常数的精密测量,现在测量的精准度已经达到了重新定义质量单位千克的要求。”王健强调。

    国际单位制溯源体系彻底改变

    在李世松看来,本次国际单位制基本单位的重新定义,是一个具有里程碑意义的事件。“这是我们人类在基本单位体系中首次彻底摆脱了实物基准,将所有基本单位的定义推向‘量子化’的关键一步。”李世松说。

    本次国际单位制修订,从表面而言,人们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。

    李世松认为,本次基本单位修订最重要的影响在于使国际计量体系以及未来的检定和校准工作等发生改变。基于自然物理常数定义的国际单位制基本单位本征具有的开放性,将允许任何实验室或个人建立直接进行国际单位制溯源的测量和校准装置。

    “在国家层面,我们如果能建立我国自己的基本单位复现装置,就不用再定期到国际计量局去进行校准。在区域层面,我们国家如果能建立起国际公认的高准确性基本单位的复现装置,就能够为其他国家提供校准服务。”李世松说,“而对国际计量局而言,未来最重要的使命,除了发展自己的基本单位量值复现装置外,还会更加注重组织不同国家参与的国际比对,以确保国际单位制基本单位量值在全世界范围内具有一致性。”

    “国际单位制基本单位重新定义以后,量子基准将取代实物基准,基本单位可实现独立复现、不再依赖于国际计量局。这将彻底改变世界计量格局——未来,国际计量局将不再是世界量值的唯一源头,主要发达国家和新兴发展中国家计量院将成为国际计量‘多中心’格局的主体。”国际计量委员会委员、中国计量科学研究院党委书记兼副院长段宇宁表示。

    相关链接

    1.国际单位制7个基本单位是什么

    国际单位制中7个基本单位包括千克(kg)、米(m)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)和坎德拉(cd),分别表示质量、长度、时间、电流、温度、物质的量、发光强度的单位。

    2.这次修订将发生哪些变化

    千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)将拥有新的定义。秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定义将保持不变,但是它们的表达方式会有一定改变,以与千克、安培、开尔文和摩尔新定义的表达方式相一致。

    3.新定义生效后,用户是否需要将质量标准器重新送检

    千克新定义生效后,用户可以和现在一样,将自己的质量标准器送到国家计量院(NMI)或其他次级校准实验室进行校准。然而,国家计量院将按照新定义对千克进行复现,亦即国家计量院链接到SI千克的溯源途径会发生改变。

作者:实习记者 陆成宽编辑:蔡思颖
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