千克原器明年退休 计量单位修改

2018-11-18 19:24 来源 综合科技日报

　　千克原器明年退休：法国凡尔赛召开的第26届国际计量大会通过了修订国际单位制（SI）的决议。国际单位制中的4个基本单位改由自然常数来定义，并于2019年5月20日国际计量日正式生效。至此，国际单位制7个基本单位将全部由基本物理常数定义。

千克原器明年退休：图为以国际千克原器为基准的校准装置

　　这4个基本单位分别是：质量单位千克、电流单位安培、物质的量单位摩尔以及温度单位开尔文。其中，千克采用普朗克常数定义，安培采用基本电荷量定义，摩尔采用阿佛加德罗常数定义，开尔文采用玻尔兹曼常数定义。

　　国际单位体系迈向量子时代

　　尽管这些单位的大小不会发生变化——1千克还将是原来的1千克，但修订后的基本单位，提高了SI的整体稳定性和实用性。

　　“国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”国际计量局局长马丁·米尔顿表示，“用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础，意味着我们在深化科学认知、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。”

　　决议的通过，预示着用实物基准定义测量单位的方法即将退出历史舞台。“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。” 在国际计量局物理计量所功率天平组工作的李世松博士在接受科技日报记者独家采访时表示。

　　基本单位的量子化虽然从表面上人们并不会看到太大的变化，但是它对高精尖科技的发展却至关重要。

千克原器明年退休

　　1967年，时间单位秒采用基于原子跃迁的“原子秒”取代“天文秒”进行定义，这标志着国际单位体系从实物时代开始迈向量子时代。原子时诞生50年来，时间频率的测量准确度跃升1000万倍，成为目前测得最准的物理量。正是基于时间定义的量子化变革，实现了卫星导航定位，其精度更是达到了厘米级别，成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。

　　100多年变化50微克也不行

　　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，1千克质量的量值，是用保存在国际计量局的一个砝码——国际千克原器来确定的。

　　之所以用这个砝码来定义质量的单位千克，是因为在100多年前，计量学家发现，选用铂铱合金（90%铂+10%铱）制成的砝码的化学性质特别稳定。于是，1889年召开的第1届国际计量大会，决议采用铂铱合金砝码定义质量单位千克。

千克原器明年退休

　　从1889年千克定义到今天，国际千克原器与6个同等材料制成、同等保存条件的国际千克原器复制品的量值比对试验共进行了4次。结果发现，100多年间，这6个千克原器复制品与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。

　　“这么微小的变化，虽然说现阶段还不足以影响人们的日常生活，但其长期积累的效应，无疑会影响国际计量制体系的稳定性，并且会对精密科学研究产生不良影响。”

　　这是因为7个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。比如，在基本单位定义中，电流单位安培的定义用到了导出单位牛顿，而牛顿这个单位中就包含质量单位千克。同时，摩尔的定义中也用到了千克。

千克原器明年退休

　　与此同时，以前人们对实物基准，总担心因为天灾或人祸而损毁，而采用基本物理常数重新定义基本单位后，人们就无需考虑这个问题了。并且，在以前，当新的、更准确的计量技术出现时，可能会导致基本单位的定义要被修改。比如，质量单位千克在被定义为国际千克原器的质量之前，还曾被定义为4摄氏度下1立方分米水的质量。

　　“采用基本物理常数定义SI基本单位后，可以在相当长的时间内避免基本单位的定义被反复修改。而且未来随着相关技术的进步，只会不断提升单位量值复现的准确性，但不会轻易改变基本单位的定义。”李世松说。

　　平日里，老百姓买个菜都会涉及“斤两”的问题，“千克”这一国际单位的重大变革，会给人们生活带来什么影响？长江日报记者采访湖北省计量测试技术研究院力学计量技术研究所副所长、国家一级计量师何运部。他表示，科学技术的发展给质量测量带来“福利”,质量测量会变得更科学、更合理、更精确。

　　国际千克原器已有128岁

　　“目前7大国际单位制当中，质量单位‘千克’是唯一可以靠实物复现的。”何运部介绍，定义千克的是一块放在法国巴黎国际计量局保险箱里的标准砝码——在1889年国际计量大会上批准称为国际千克原器(IPK)。

　　IPK由90%铂和10%铱所组成的合金制作，是直径和高各为39毫米的小金属圆柱体。高尔夫球大小的它被保存在真空封存的三层玻璃罩内。全球还有许多IPK的复制品，作为各地区校正单位的标准。

　　“我国也有自己的‘IPK’。”何运部透露，1959年中国确定以公制作为计量制度后，在1965年引进千克质量单位的基准器，“是由国际计量局检定、编号为60的千克基准砝码”,同样为铂铱合金制成，放置在真空中，受多层保护。

　　他表示，国家千克基准各国通常只有一个，目的是为建立国家质量量值传递系统，确保砝码的质量由国家基准器逐级传递下去。

　　已经“发胖”重了50微克

　　随着科技的发展，科学家愈加发现，“千克”这种和实物相联系的定义已经不能满足高精尖科技的需求了。因为实物不能亘古不变——巴黎的IPK已经“发胖”了50微克。专家因此笑称，“这意味着我们比一百多年前的人要‘重’”。

　　国际度量衡委员会(CIPM)的新草案一旦在明年的国际度量衡大会上通过，世界测量技术规则将被重构，国际单位制中科学家假设的数值，将全部改由自然界的基础常数来定义。届时，基于改用普朗克常数定义的质量自然基准将取代IPK,成为国际质量单位新的源头。

　　在何运部看来，国际质量单位千克重新定义“是件好事”,意味着科学技术的发展给质量测量带来“福利”,损耗进一步降低，“质量测量会变得更科学、更合理、更精确。大家不要忘了，秒的重新定义实现了电信、卫星导航等很多技术以及股票市场的精准的计时，成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。”何运部说，从科学行业来看，包括飞行器、汽车、化学制品、半导体材料、火箭配药等，质量测量都起着至关重要的作用。“质量的精准测量支撑着纳米技术和石墨烯的应用，将提升先进制造中航空发动机的精度、推进精准医疗产业的发展”。

　　普通老百姓会认为，这么高大上的改变似乎和我的生活没啥关系。但像金银首饰的测量其实已经精确到毫克了，IPK过去100年已“胖”了50微克，相当于0.00025克拉钻石的重量。届时国际质量标准发生改变，如果没有跟上改变的节奏，购买黄金、宝石时发生的纠纷可想而知。

　　“但大家不必担心，因为我国已经建立了‘高准确度真空质量测量系统’,成功解决了2018年国际质量单位千克重新定义后质量量值传递技术关键问题。”何运部说，我国的“高准确度真空质量测量系统”灵敏度达到国际先进水平，为保障未来我国质量量值与国际等效一致奠定了技术基础。

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编辑： 记者陆成宽