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國際千克原器“大K”。 |
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中國千克重新定義復現裝置。 |
11日，國家市場監督管理總局召開新聞發布會，介紹質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”的新定義，并宣布明年5月20日起，作為國際計量局的成員，中國將與全球其他國家一致啟用新修訂后的國際單位制。
國際千克原器失準，改用不依賴物理實物的自然常數計量
根據現行定義，1千克精確等于國際計量局保存的國際千克原器（IPK）的質量。而國際千克原器則是一塊高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體，別名“大K”。
為了保證質量穩定，“大K”自誕生起一直被安放在巴黎郊區的一個保險箱里，并受到嚴密監控。“只有國際計量局局長、國際計量局主席、法國國家檔案館館長同時在場，才能開啟保險箱。” 中國計量科學研究院院長方向說，國際計量局各成員國按照一樣的大小、原材料復制了若干個復制品，來保證全球計量標準的一致。中國計量科學研究院就保存了3個，目前有效的還有兩個。
各國保存的復制品，會定期到國際計量局與“大K”進行校準，但130年之后，復制品的平均水平與“大K”發生了50微克偏差。
這其中，可能有復制品因存放、運輸等問題而導致的質量變化，但也無法排除“大K”本身出現了質量漂移。“實物基準一旦制成，總會有一些不易控制的物理、化學過程使它的特性發生緩慢的變化。哪怕落上一粒塵埃，‘大K’保存的量值也會有所變化。至今，‘大K’的質量是否發生了變化，變化了多少仍是一個謎。” 方向說。
鑒于實物本身的不穩定性，國際計量界一直致力于建立一個不依賴于實物原器的測量體系。20世紀以來，隨著量子技術的發展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高。科學家發現，這些常數比實物穩定百萬倍，并將其數值固定了下來。于是，科學家們開始探討采用物理常數來定義國際計量單位。
在11月16日舉行的第二十六屆國際計量大會上，經包括中國在內的53個成員國集體表決，全票通過了關于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。未來，千克將以符號為h的普朗克常數定義，“大K”正式退役。“改用普朗克常數定義千克后，我們將不必擔心‘大K’的質量發生變化，更不必擔心國際千克原器丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的毀滅性災難。”方向說。
國際單位制的變化不會影響人們日常的生產生活
除了千克，在本屆國際計量大會上，電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”等3個國際單位制的定義也將由常數定義，并于明年的世界計量日5月20日正式生效。加之此前對時間單位“秒”、長度單位“米”和發光強度單位“坎德拉”的重新定義，至此，國際計量單位制的7個基本單位全部實現由常數定義。
國際單位制重新定義后，會對日常生活產生什么影響呢？
“千克的定義變化了，我們的體重會變重嗎？買菜會變貴嗎？不會，你買一斤菜還是一斤菜。”方向說，對于大多數普通人，國際單位制的變化不會對生活產生影響。
方向表示，雖然“安培”的復現方法將使用新的固定基本電荷，將導致10-7的變化，但只會影響最高級別的校準實驗室，對實際使用沒有影響。
既然測量單位的變化如此微妙，重新定義國際單位制有何意義呢？
“這就如同我們給房子換了一個更加堅固的地基，并不太會直接影響我們生活起居，但它實際上已經發生了‘脫胎換骨’的變化，使得房子更耐久。”國家市場監督管理總局計量司司長謝軍說。
他解釋道，以前，最準確的千克只有1千克一種，要對一個大于1千克的物體稱重，需要將1千克進行重復累加；對一個小于1千克的物體進行稱重，則需要將1千克進行分割。而無論累加還是分割的過程都會給量值的準確性帶來損失。新的定義則不受限制，可實現全范圍的準確性。
“得益于更高的測量準確度，將直接促進市場公平交易，實現精準醫療，改善節能環保等。如在航空領域，我們將可以測量極高、極低溫度的微小變化，從而更加準確地監測航天器表面的溫度變化；在生物醫藥領域，則可以準確測量單個細胞內某種物質的含量，并根據病人的實際需要，制定更加精確的藥物劑量。”謝軍說。
再比如，目前，各國依賴的是實物基準逐級傳遞的計量模式，費時費力、效率低下、誤差放大。而在新定義下，只采用芯片級的傳感器將可以在工業產品流水線上實現對國際單位制的溯源，物聯網各個終端采集的數據由此能實現可比，極大地提高智能制造、物聯網等新技術產業的質量水平。
“就像1967年，我們用原子的特性修訂了‘秒’的定義，使我們在幾十年后的今天擁有了衛星導航和互聯網技術一樣，質量單位‘千克’等4個國際單位制的重新定義，將在未來對人類科學、技術、貿易、健康、環境等領域產生重大而深遠的影響，而現在我們對這些影響的預判和認識，可能是未知遠遠大于已知。”謝軍說。
我國已建新千克復現裝置，可保障未來質量量值與國際等效
新的計量單位將如何復現？
“在舊定義下，要復刻1千克，即對‘大K’進行復制，而在新定義下，則依賴于實驗方法。目前中國計量科學研究院已獨立建立了基于新定義的千克復現裝置，預計將于2019年獲得等效的千克定義量值。”方向說，同時，中國計量科學研究院還成功研制了真空質量測量和質量標準傳遞裝置，可以保障未來我國質量量值與國際等效一致。
在時間單位方面，中國計量科學研究院的NIM5銫原子噴泉鐘，達到3000萬年不差1秒，是國際協調時的8臺校準鐘之一。在電流單位方面，中國的量子化霍爾電阻基準和約瑟夫森電壓基準，多次參加國際比對，測量確定度達到國際領先水平，其中量子化霍爾電阻基準準確度比國外最好水平還高出10多倍。
而這其中，頗為關鍵的則是對物理常數的測量能力。據介紹，截至目前，我國已在玻爾茲曼常數、普朗克常數和阿伏伽德羅常數等物理常數測量取得了系列突破。特別是中國計量科學研究院用聲學法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數，均被國際科學技術數據委員會（CODATA）收錄，為常數定值做出實質性貢獻，也為基本單位開爾文的修訂做出了中國貢獻。
方向坦言，我國雖已在單位制量子化和量子基準的研究中取得了一些成績，但部分物理常數的測量結果與國際一流水平仍有差距，部分基準的建設尚沒有啟動。同時，我國以“量值傳遞扁平化”技術為特征的新一代計量技術體系建設剛剛起步，與發達國家相比，一些新興領域的計量技術仍屬空白，極限量、動態量、綜合量以及復雜環境下的精密測量明顯落后，高端測量儀器儀表基本依賴進口。
《 人民日報 》（ 2018年12月12日 12 版）
(責編：岳弘彬、曹昆)
