國(guó)際單位制SI迎來(lái)歷史性變革
巴黎時(shí)間11月16日下午，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）關(guān)于“修訂國(guó)際單位制（SI）”的1號(hào)決議經(jīng)全體成員國(guó)表決通過(guò)。根據(jù)決議，SI基本單位中的4個(gè)，即千克、安培、開(kāi)爾文和摩爾分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿佛加德羅常數(shù)NA定義。這是SI自1960年創(chuàng)建以來(lái)最為重大的變革，將從根本上保證SI的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和全球治理等影響深遠(yuǎn)。
實(shí)物原器退出歷史舞臺(tái)
世界上最重要的一塊鉑銥合金圓柱體——國(guó)際千克原器（IPK）成為了千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實(shí)物原器將繼續(xù)以原有狀態(tài)保存在法國(guó)塞夫勒的布勒特伊宮地下保險(xiǎn)箱內(nèi)，為新定義相關(guān)研究和國(guó)際比對(duì)發(fā)揮“余熱”，但它將不再出現(xiàn)于任何物理公式中。
國(guó)際千克原器IPK
國(guó)際計(jì)量局供圖
據(jù)中國(guó)計(jì)量院從事質(zhì)量新定義研究的李正坤研究員介紹，IPK及其復(fù)制品是用19世紀(jì)末20世紀(jì)初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當(dāng)時(shí)也滿足了對(duì)于計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求。但實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過(guò)程使它的特性發(fā)生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會(huì)有所改變。
清洗千克基準(zhǔn)（第43號(hào)千克基準(zhǔn)）
拍攝于20世紀(jì)90年代，國(guó)際計(jì)量局供圖
據(jù)國(guó)際計(jì)量局官方數(shù)據(jù)顯示，IPK真正“面世”參加國(guó)際比對(duì)的次數(shù)僅有4次。100年間，各國(guó)保存的質(zhì)量基準(zhǔn)、國(guó)際計(jì)量局官方作證基準(zhǔn)與IPK的一致性共發(fā)生了約0.05 毫克的變化。但I(xiàn)PK質(zhì)量究竟變化了多少至今仍然是個(gè)迷。
2003年參與國(guó)際比對(duì)后IPK被放回保險(xiǎn)箱
國(guó)際計(jì)量局供圖
“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)h重新定義千克后，質(zhì)量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮IPK質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必?fù)?dān)心IPK丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來(lái)的毀滅性災(zāi)難。”李正坤表示。此外，IPK作為最高基準(zhǔn)，量值只有1千克一種。從最高基準(zhǔn)到具體的應(yīng)用場(chǎng)所，量值要經(jīng)過(guò)多次分解和傳遞，這會(huì)對(duì)量值準(zhǔn)確性造成損失。“基于新定義的千克可以在極大、極小值的全范圍內(nèi)，保持相同的不確定度。”國(guó)際計(jì)量委員會(huì)副主席、單位制咨詢委主席約阿希姆·烏爾里希表示，“這對(duì)于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用而言都非常重要。”
SI真正成為全球通用的測(cè)量基礎(chǔ)
國(guó)際單位制（SI）的起源可以追溯至1875年——17國(guó)簽署《米制公約》并正式同意推行統(tǒng)一的國(guó)際測(cè)量體系。“‘米制’在創(chuàng)立時(shí)的愿景即是‘為全人類所用，在任何時(shí)代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘自然常數(shù)’而非某種主觀的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義單位，而這一點(diǎn)隨著SI的修訂真正成為了現(xiàn)實(shí)。”國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞·英格里斯表示。自啟蒙時(shí)代起，國(guó)際測(cè)量界就致力于建立一個(gè)“全球通用”的測(cè)量系統(tǒng)。用實(shí)物作為測(cè)量基準(zhǔn)一直是一個(gè)可行的方式，但這也是測(cè)量界想要盡早摒棄的方式。SI的修訂第一次使所有的基本單位和導(dǎo)出單位都建立在恒定不變、全球通用的常數(shù)上——國(guó)際測(cè)量界多年夙愿成為了現(xiàn)實(shí)。此外，SI定義將第一次獨(dú)立于它們的復(fù)現(xiàn)方式：這些定義不會(huì)隨著更好的復(fù)現(xiàn)方式的出現(xiàn)而過(guò)時(shí)。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導(dǎo)線間的電磁作用力”，這意味著電流需要采用一定的復(fù)現(xiàn)方式來(lái)定義。但是，隨著約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，舊的定義方式過(guò)時(shí)了。而安培的新定義則只和一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式。
加拿大/英國(guó)基布爾（功率）天平裝置
“新定義生效后，千克可以通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)現(xiàn)，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此。”約阿希姆·烏爾里希表示。
德國(guó)阿佛加德羅法（X射線晶體密度法）復(fù)現(xiàn)千克裝置
中國(guó)計(jì)量院能量天平裝置（局部）
正如國(guó)際計(jì)量局局長(zhǎng)馬丁·米爾頓在公開(kāi)發(fā)表的聲明中所說(shuō)，用基本常數(shù)作為我們認(rèn)識(shí)和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著我們?cè)谏罨茖W(xué)認(rèn)知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì)重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了。盡管從表面而言，大多數(shù)人并不會(huì)看到太大變化。“這好比你給房子換了一個(gè)更堅(jiān)固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但它可能已經(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了。”馬丁·米爾頓說(shuō)，“就像1967年用原子的特性修訂秒定義一樣——盡管在修訂之初人們并不知道它可以用在哪里。但現(xiàn)在，基于原子鐘的計(jì)時(shí)技術(shù)已成為互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)的基礎(chǔ)。新SI也是這樣，它將在未來(lái)對(duì)科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。”
國(guó)際單位制修訂的中國(guó)貢獻(xiàn)
國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞·英格里斯在聲明中表示：“SI的修訂是科學(xué)成就的一座里程碑。這是所有參與相關(guān)研究工作的國(guó)家計(jì)量院與國(guó)際計(jì)量局責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)，正是這些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展的潛心研究和通力合作，才取得了這樣的成就。”事實(shí)上，早在20世紀(jì)中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)各種物理量的測(cè)量準(zhǔn)確度得到了極大的提高，時(shí)間、長(zhǎng)度的SI單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國(guó)際計(jì)量委員起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等，并鼓勵(lì)有能力的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)研究工作。
中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院作為我國(guó)的國(guó)家計(jì)量院，始終緊跟國(guó)際計(jì)量科學(xué)前沿，并在SI基本單位復(fù)現(xiàn)新理論、新方法等方面持續(xù)開(kāi)展研究。截至目前，中國(guó)計(jì)量院已在玻爾茲曼常數(shù)、普朗克常數(shù)和阿佛加德羅常數(shù)等物理常數(shù)測(cè)量以及量子基準(zhǔn)的建立方面取得了系列突破。特別是該院利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測(cè)得的玻爾茲曼常數(shù)，為SI溫度基本單位開(kāi)爾文的修訂做出了重要貢獻(xiàn)。
CODATA 2017玻爾茲曼常數(shù)平差所用數(shù)據(jù)
（NIM為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）
來(lái)源：國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）
在全球科學(xué)家們的努力下，用于SI新定義的常數(shù)被精心設(shè)計(jì)在“剛剛好”的數(shù)值上，因此，在新定義生效前后，單位的大小不會(huì)發(fā)生顯著變化——1千克還將是原來(lái)的1千克——測(cè)量結(jié)果在很高的準(zhǔn)確度水平上仍然是一致的。“新定義生效后，絕大多數(shù)用戶并不需要為此做出任何反應(yīng)，大家可以和原來(lái)一樣，從國(guó)際計(jì)量局、國(guó)家計(jì)量院以及獲得認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室獲得相關(guān)量值到SI的溯源性。”馬丁·米爾頓表示。“事實(shí)上，電壓?jiǎn)挝环氐牧恐祵H發(fā)生大約一千萬(wàn)分之一的變化，歐姆的變化則更小；千克、開(kāi)爾文、摩爾的定義更是基本可以忽略不計(jì)。”另?yè)?jù)國(guó)際計(jì)量局官方聲明顯示，國(guó)際計(jì)量局將在千克重新定義以后繼續(xù)開(kāi)展關(guān)于千克復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)方法的國(guó)際比對(duì)，并得出千克的國(guó)際“共識(shí)值”。建有相關(guān)復(fù)現(xiàn)裝置的國(guó)家計(jì)量院必須在“共識(shí)值”的基礎(chǔ)上依據(jù)新定義進(jìn)行量值傳遞，直到其獨(dú)立復(fù)現(xiàn)的不確定度達(dá)到與“共識(shí)值”相當(dāng)?shù)乃健６渌荒塥?dú)立復(fù)現(xiàn)千克的成員國(guó)，則可以通過(guò)國(guó)際計(jì)量局的校準(zhǔn)服務(wù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量值對(duì)SI的溯源。
據(jù)悉，中國(guó)計(jì)量院已獨(dú)立建立了基于新定義的千克復(fù)現(xiàn)裝置，并成功研制了真空質(zhì)量測(cè)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞裝置，可以保障未來(lái)我國(guó)質(zhì)量量值與國(guó)際等效一致。
網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院陳杭杭
