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千克的定義變了,變化不會影響人們?nèi)粘5纳a(chǎn)生活

李心萍/人民日報
2018-12-12 06:41
科學(xué)湃 >
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國際千克原器“大K”。

中國千克重新定義復(fù)現(xiàn)裝置。中國計(jì)量科學(xué)研究院供圖

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(jì)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(zhǔn),改用不依賴物理實(shí)物的自然常數(shù)計(jì)量

根據(jù)現(xiàn)行定義,1千克精確等于國際計(jì)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(yán)密監(jiān)控?!爸挥袊H計(jì)量局局長、國際計(jì)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(jì)量科學(xué)研究院院長方向說,國際計(jì)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的一致。中國計(jì)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(jì)量局與“大K”進(jìn)行校準(zhǔn),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(yùn)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?!皩?shí)物基準(zhǔn)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?!?方向說。

鑒于實(shí)物本身的不穩(wěn)定性,國際計(jì)量界一直致力于建立一個不依賴于實(shí)物原器的測量體系。20世紀(jì)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(zhǔn)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(shí)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(jì)量單位。

在11月16日舉行的第二十六屆國際計(jì)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?fù)?dān)心‘大K’的質(zhì)量發(fā)生變化,更不必?fù)?dān)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。”方向說。

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(jì)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(jì)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(qiáng)度單位“坎德拉”的重新定義,至此,國際計(jì)量單位制的7個基本單位全部實(shí)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(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,對實(shí)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(jiān)固的地基,并不太會直接影響我們生活起居,但它實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了‘脫胎換骨’的變化,使得房子更耐久?!眹沂袌霰O(jiān)督管理總局計(jì)量司司長謝軍說。

他解釋道,以前,最準(zhǔn)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(jìn)行重復(fù)累加;對一個小于1千克的物體進(jìn)行稱重,則需要將1千克進(jìn)行分割。而無論累加還是分割的過程都會給量值的準(zhǔn)確性帶來損失。新的定義則不受限制,可實(shí)現(xiàn)全范圍的準(zhǔn)確性。

“得益于更高的測量準(zhǔn)確度,將直接促進(jìn)市場公平交易,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)確測量單個細(xì)胞內(nèi)某種物質(zhì)的含量,并根據(jù)病人的實(shí)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(shí)物基準(zhǔn)逐級傳遞的計(jì)量模式,費(fèi)時費(fèi)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(shí)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(shí)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(yuǎn)的影響,而現(xiàn)在我們對這些影響的預(yù)判和認(rèn)識,可能是未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知?!敝x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(jì)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(jìn)行復(fù)制,而在新定義下,則依賴于實(shí)驗(yàn)方法。目前中國計(jì)量科學(xué)研究院已獨(dú)立建立了基于新定義的千克復(fù)現(xiàn)裝置,預(yù)計(jì)將于2019年獲得等效的千克定義量值?!狈较蛘f,同時,中國計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)量科學(xué)研究院的NIM5銫原子噴泉鐘,達(dá)到3000萬年不差1秒,是國際協(xié)調(diào)時的8臺校準(zhǔn)鐘之一。在電流單位方面,中國的量子化霍爾電阻基準(zhǔn)和約瑟夫森電壓基準(zhǔn),多次參加國際比對,測量確定度達(dá)到國際領(lǐng)先水平,其中量子化霍爾電阻基準(zhǔn)準(zhǔn)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(jì)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(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn),也為基本單位開爾文的修訂做出了中國貢獻(xiàn)。

方向坦言,我國雖已在單位制量子化和量子基準(zhǔn)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(zhǔn)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(jì)量技術(shù)體系建設(shè)剛剛起步,與發(fā)達(dá)國家相比,一些新興領(lǐng)域的計(jì)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(jìn)口。

(原題為《千克的定義變了》)

    責(zé)任編輯:張珺
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