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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(fù)現(xiàn)裝置。 |
11日，國家市場監(jiān)督管理總局召開新聞發(fā)布會，介紹質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質(zhì)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(shù)計量
根據(jù)現(xiàn)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(zhì)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(zhì)量穩(wěn)定，“大K”自誕生起一直被安放在巴黎郊區(qū)的一個保險箱里，并受到嚴密監(jiān)控?！爸挥袊H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(xué)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(fù)制了若干個復(fù)制品，來保證全球計量標準的一致。中國計量科學(xué)研究院就保存了3個，目前有效的還有兩個。
各國保存的復(fù)制品，會定期到國際計量局與“大K”進行校準，但130年之后，復(fù)制品的平均水平與“大K”發(fā)生了50微克偏差。
這其中，可能有復(fù)制品因存放、運輸?shù)葐栴}而導(dǎo)致的質(zhì)量變化，但也無法排除“大K”本身出現(xiàn)了質(zhì)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(xué)過程使它的特性發(fā)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(zhì)量是否發(fā)生了變化，變化了多少仍是一個謎?！?nbsp;方向說。
鑒于實物本身的不穩(wěn)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(shù)的發(fā)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(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些常數(shù)比實物穩(wěn)定百萬倍，并將其數(shù)值固定了下來。于是，科學(xué)家們開始探討采用物理常數(shù)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(jīng)包括中國在內(nèi)的53個成員國集體表決，全票通過了關(guān)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(shù)定義，“大K”正式退役?！案挠闷绽士顺?shù)定義千克后，我們將不必擔心‘大K’的質(zhì)量發(fā)生變化，更不必擔心國際千克原器丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的毀滅性災(zāi)難?！狈较蛘f。
國際單位制的變化不會影響人們?nèi)粘５纳a(chǎn)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(zhì)的量單位“摩爾”等3個國際單位制的定義也將由常數(shù)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(fā)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(xiàn)由常數(shù)定義。
國際單位制重新定義后，會對日常生活產(chǎn)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?！狈较蛘f，對于大多數(shù)普通人，國際單位制的變化不會對生活產(chǎn)生影響。
方向表示，雖然“安培”的復(fù)現(xiàn)方法將使用新的固定基本電荷，將導(dǎo)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(jīng)發(fā)生了‘脫胎換骨’的變化，使得房子更耐久。”國家市場監(jiān)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(fù)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(xiàn)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(xiàn)精準醫(yī)療，改善節(jié)能環(huán)保等。如在航空領(lǐng)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(jiān)測航天器表面的溫度變化；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，則可以準確測量單個細胞內(nèi)某種物質(zhì)的含量，并根據(jù)病人的實際需要，制定更加精確的藥物劑量?！敝x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(yè)產(chǎn)品流水線上實現(xiàn)對國際單位制的溯源，物聯(lián)網(wǎng)各個終端采集的數(shù)據(jù)由此能實現(xiàn)可比，極大地提高智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的質(zhì)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(wèi)星導(dǎo)航和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一樣，質(zhì)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(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境等領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠的影響，而現(xiàn)在我們對這些影響的預(yù)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(fù)現(xiàn)裝置，可保障未來質(zhì)量量值與國際等效
新的計量單位將如何復(fù)現(xiàn)？
“在舊定義下，要復(fù)刻1千克，即對‘大K’進行復(fù)制，而在新定義下，則依賴于實驗方法。目前中國計量科學(xué)研究院已獨立建立了基于新定義的千克復(fù)現(xiàn)裝置，預(yù)計將于2019年獲得等效的千克定義量值?！狈较蛘f，同時，中國計量科學(xué)研究院還成功研制了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標準傳遞裝置，可以保障未來我國質(zhì)量量值與國際等效一致。
在時間單位方面，中國計量科學(xué)研究院的NIM5銫原子噴泉鐘，達到3000萬年不差1秒，是國際協(xié)調(diào)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(lǐng)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(guān)鍵的則是對物理常數(shù)的測量能力。據(jù)介紹，截至目前，我國已在玻爾茲曼常數(shù)、普朗克常數(shù)和阿伏伽德羅常數(shù)等物理常數(shù)測量取得了系列突破。特別是中國計量科學(xué)研究院用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數(shù)，均被國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會（CODATA）收錄，為常數(shù)定值做出實質(zhì)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(shù)的測量結(jié)果與國際一流水平仍有差距，部分基準的建設(shè)尚沒有啟動。同時，我國以“量值傳遞扁平化”技術(shù)為特征的新一代計量技術(shù)體系建設(shè)剛剛起步，與發(fā)達國家相比，一些新興領(lǐng)域的計量技術(shù)仍屬空白，極限量、動態(tài)量、綜合量以及復(fù)雜環(huán)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)
