11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經(jīng)各個成員國表決，通過了關于“修訂國際單位制”的決議。根據(jù)決議，國際單位制基本單位中的4個_質(zhì)量單位千克、電流強度安培、熱力學溫度單位開爾文、物質(zhì)的量單位摩爾被分別改由普朗克常數(shù)、基本電荷常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、阿佛加德羅常數(shù)定義。決議將于下一個國際計量日，即2021年5月20日正式生效。
盡管這些單位的大小不會發(fā)生變化_1千克還將是原來的1千克，但修訂后的4個單位將與秒、米和坎德拉一起，共同提高國際單位制的整體穩(wěn)定性和實用性。
這是國際單位制自1960年創(chuàng)建以來最為重大的一次變革?！皣H單位制的修訂是科學進步的一座里程碑?！盉IPM局長馬丁·米爾頓表示，“用基本常數(shù)作為我們認識和定義質(zhì)量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著我們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎更加堅實了?！?/p>
實物原器將退出歷史舞臺
自啟蒙時代起，國際測量界就致力于建立一個“全球通用”的測量系統(tǒng)。用實物作為測量基準雖是可行的方式，但也是測量界想要盡早摒棄的方式。
眾所周知的“1千克”這一質(zhì)量單位被由一個直徑和高度同約為39毫米的鉑銥合金圓柱體定義，即“國際千克原器”，外號為“大K”?！按驥”原器被保存在法國巴黎近郊圣克魯?shù)牟祭仗匾翆m地下保險箱內(nèi)。
被用來向公眾展示的一個被放置于兩個保護性玻璃罩中的國際千克原器復制品
位于巴黎近郊塞夫勒的國際度量衡局（BIPM）每隔40年左右就會把“大K”取出來，在世界各地校準重量。130年來，這個閃閃發(fā)光的鉑銥合金圓柱體一直是世界質(zhì)量標準。但其質(zhì)量受空氣污染和氧化等因素影響出現(xiàn)了細微變化，已難以適應現(xiàn)代精密測量的要求。因此科學界一直想用一種基于物理常數(shù)的定義將其取代。
就像一位年邁的君主，“大K”即將向現(xiàn)代化低頭。第26屆國際計量大會通過的關于“修訂國際單位制”的決議重寫了用于定義單位的最后一個物理工件“大K”的命運。也就是說，最受關注的“千克”定義，將以量子力學中的普朗克常數(shù)為基準，其原理是將移動質(zhì)量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數(shù)表達的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。
因此，從2021年國際計量日開始， “大K”將繼續(xù)以原有狀態(tài)被保存在布勒特伊宮地下保險箱內(nèi)，為新定義相關研究和國際比對發(fā)揮“余熱”，但她將不再出現(xiàn)于任何物理公式中。
我國計量院從事質(zhì)量新定義研究的研究員李正坤介紹，“大K”及其復制品是被用19世紀末至20世紀初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當時也滿足了對于計量基準的準確度及穩(wěn)定性的要求。但實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使她的特性緩慢地發(fā)生變化，因而她所保存的量值也會有所改變。
BIPM官方數(shù)據(jù)顯示，100年間，各國保存的質(zhì)量基準、BIPM官方作證基準與“大K”的一致性共發(fā)生了約0.05毫克的變化。但“大K”質(zhì)量究竟變化了多少至今仍然是個謎。
“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)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‘大K’質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必擔心‘大K’丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的毀滅性災難?！崩钫け硎?。
此次國際單位制的修訂，第一次使所有的基本單位和導出單位都建立在恒定不變、全球通用的常數(shù)上_國際測量界多年夙愿成為了現(xiàn)實。
“給房子換個更堅實的地基”
在新定義生效前后，計量單位的大小不會發(fā)生顯著變化，也就是說，1千克還是原來的1千克，測量結(jié)果在很高的準確度水平上仍然是一致的。那么，這次修訂又有什么意義呢？
“這好比你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但她可能已經(jīng)發(fā)生了實質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了?！泵谞栴D說。
國際單位制的起源可以追溯至1875年_十七國簽署《米制公約》并正式同意推行統(tǒng)一的國際測量體系。
歷史上的國際米原器條，其被由一塊鉑銥合金制成，是從1889年至1960年間的國際標準。
“‘米制’在創(chuàng)立時的愿景即‘為全人類所用，在任何時代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘自然常數(shù)’而非某種主觀的標準來定義單位，而這一點隨著國際單位制的修訂真正成為了現(xiàn)實。”國際計量委員會主席白瑞·英格里斯表示。
這是國際單位制定義第一次獨立于這些被定義單位的復現(xiàn)方式。也就是說，這些定義不會隨著新復現(xiàn)方式的出現(xiàn)而過時。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導線間的電磁作用力”，這意味著電流需要采用一定的復現(xiàn)方式來定義。但是，隨著約瑟夫森效應和量子化霍爾效應的出現(xiàn)，舊的定義方式過時了。而安培的新定義則只和一定時間內(nèi)通過的電子數(shù)有關，并不涉及復現(xiàn)方式。
“新定義生效后，千克可以通過任何適當?shù)姆椒◤同F(xiàn)，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此。”國際計量委員會副主席約阿希姆·烏爾里希表示。
米爾頓在公開發(fā)表的聲明中說，用基本常數(shù)作為人們認識和定義質(zhì)量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著人們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎更加堅實了。
但另一方面，即便是那些變革的支持者也承認，這可能會讓非專業(yè)人士感到困惑?！邦^腦冷靜的人會說，‘我們該怎么教人們使用這種單位？’”位于馬里蘭州蓋瑟斯堡的外國國家標準與技術研究所物理學家Jon Pratt說。
國際單位制修訂的我國貢獻
早在20世紀中葉，隨著量子技術的發(fā)展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高，時間、長度的國際單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計量委員會起草了關于采用基本物理常數(shù)重新定義部分國際單位制基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等基本單位，并鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關研究工作。
發(fā)文人了解到，截至目前，我國計量科學研究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)測量以及量子基準的建立方面取得了一系列突破，他們還利用聲學法和噪聲法兩種方法測得玻爾茲曼常數(shù)，為國際單位制溫度基本單位開爾文的修訂作出了重要貢獻。
BIPM官方聲明顯示，該局將在千克重新定義以后繼續(xù)開展關于千克復現(xiàn)基準方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”。建有相關復現(xiàn)裝置的國家計量院必須在“共識值”的基礎上依據(jù)新定義進行量值傳遞，直到其獨立復現(xiàn)的不確定度達到與“共識值”相當?shù)乃健?/p>
我國計量院已獨立建立了基于新定義的千克復現(xiàn)裝置，并成功研制了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標準傳遞裝置，以保障未來我國質(zhì)量量值與國際等效一致。
國際單位制是全球一致認可的測量體系，包括7個基本單位，分別是長度單位米、質(zhì)量單位千克、時間單位秒、電流強度單位安培、熱力學溫度單位開爾文、物質(zhì)的量單位摩爾和發(fā)光強度單位坎德拉。
本文原被刊載于在2018年11月20日被出版的《我國科學報》 第3版，原標題為《國際計量標準開啟新紀元》。
