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從實物原器到常數定義 千克還是那個千克

業界動態
2019
06/06
《中國科學報》
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 今年剛過去不久的“5·20”不僅是現代版情人節,一個影響全世界的變化也就此開始——新修訂的國際單位制(SI)在第20個世界計量日正式啟用。“秒”“米”“千克”等7個基本單位的定義標準將從原本的實物原器變為由常數定義。

原本好好的標準為何要改變?這樣的改變將給全球帶來怎樣的影響?為了這樣一個改變,世界各地的科學家又做出了怎樣的貢獻?

國際計量委員會副主席約阿希姆·烏爾里希曾公開表示,新定義生效后,千克可以通過任何適當的方法復現,比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等。

但變化并不僅限于此。“SI重新定義,意味著所有SI單位將由描述客觀世界的常數定義。重新定義開啟了任意時刻、任意地點、任意主體根據定義實現單位量值的大門,對經濟、科技與民生等都將產生深刻影響。”湖北省計量測試技術研究院副院長湯雄在文章中指出。

然而,為了讓1千克成為更準確的1千克,確定標準后,研究者為了找到合適的操作方法,還有不少工作要做。

極致“強迫癥”

2018年11月,第26屆國際計量大會(CGPM)在法國凡爾賽舉行。此次大會正式通過了經53個成員國表決的關于修訂SI的1號決議。即SI基本單位中的4個單位——質量單位千克、電流單位安培、溫度單位開爾文、物質的量單位摩爾分別由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA定義。

加上長度單位米、時間單位秒和光照強度單位坎德拉,至此國際單位制的7個基本單位全部由物理常數定義。這一改變的實現其實是全世界研究者共同努力的結果。

梳理歷屆國際計量大會的主題可以發現,世界各國的計量學研究者可謂是一群有著極致“強迫癥”的人。從幾百年前開始,這群人就開始琢磨怎樣縮小單位標準的不確定性。從1889年首屆CGPM開始,從最基本的米、千克起,到逐步擴大基本單位數量,再到將每一種定義升級到更精確的水平……一套嚴密、完整的單位制隨著人類的科學、貿易進步而誕生。

以質量單位千克為例,18世紀時,人們對1千克的定義是4攝氏度時1立方分米水的質量。到了1889年,一塊由鉑銥合金制成的圓柱塊成了人們衡量千克的標準。這一被稱為千克原器的圓柱體直徑和高度約為39毫米,服役時間長達130年。大部分時間里,千克原器靜靜躺在法國塞夫勒布勒特伊宮地下的保險箱中。國際計量局會據此復制出同樣尺寸的砝碼,分發給成員國作為國家基準。

但在此期間,由于使用中形成的磨損、緩慢吸附在物體上的氣體等原因,人們意識到原器和復制品之間存在質量值偏差。經過1889年、1946年和1989年的3次校準,各國基準與原器本身的差值浮動范圍平均在0.05毫克,千克原器的穩定性受到質疑。更重要的是,千克原器作為一個實體,一旦丟失,整個世界將陷入混亂。

其實在千克之前,世界各國的研究者已經就某些單位的重新定義達成了一致。比如1983年,第17屆CGPM重新定義了1米有多長:光在真空中行進1/299792458秒的距離。在更早的1967年,1秒的定義就已進入原子時代:銫原子中電子能級躍遷周期的9192631770倍就是1秒鐘。

2005年,國際計量委員會起草了關于采用基本物理常數定義部分SI基本單位的框架草案,鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關研究。其中千克將通過基本恒定的普朗克常數定義,這意味著質量基本單位的不確定性會進一步縮小。

不過,實現這一步,還有一些條件需要滿足。

世界五大挑戰之一

中國計量科學研究院研究員王健告訴《中國科學報》,千克的重新定義工作可分為兩大部分:量值復現和量值傳遞。前一個部分就包括測量普朗克常數。

以物理常數為基準定義1千克有多重,首先要確定其準確度。因此首先應對普朗克常數進行精確測量。這一工作可謂是計量學領域的一大險峰,曾在2012年被《自然》雜志評選為世界五大最具挑戰性的科學實驗之一,與探索外星生命和捕捉引力波齊名。有了精確測量的普朗克常數后,不僅是千克的定義,摩爾、安培等基本單位所依照的常數也可以確定下來。

對此,世界各國的科學家有機會一展身手。獲得廣泛認可的方法之一是通過功率天平測定普朗克常數,原理是將對質量的測量等價為對電磁力的測量。該方法1975年由英國國家物理實驗室基布爾博士提出,因而功率天平又稱基布爾天平。之后,美國、瑞士、法國、加拿大等國家的研究團隊紛紛展開攻關,力求提升測量準確性。2017年,美國國家計量院宣布用第四代功率天平測定的結果不確定度為1.3×10-8,準確性進一步提升。

2006年,中國計量科學研究院計量學專家、中國工程院院士張鐘華等人提出了名為“能量天平”的新方案。原理是基于電磁能量和機械勢能平衡,測量結果與天平中線圈的靜態位置相關,線圈運動過程中產生的誤差可被消除。2017年,在中國向國際科學數據委員會基本物理常數任務組提交的測量結果中,不確定度為2.4×10-7。未來,這一準確性還會隨著方案的優化進一步提升。

從舊到新

量值復現工作基本完成后,還需要考慮量值傳遞的問題。王健告訴《中國科學報》,從前的千克實物原器都不是在真空條件下移動,在進行質量的傳遞時,也都是在空氣中完成一系列操作。

而不論采用功率天平法還是能量天平法重新定義千克,都是在真空條件下測量普朗克常數。這就意味著,要依照新的定義標準把真空狀態下測出的質量傳遞到空氣中的砝碼上并沒有那么簡單。

為了解決量值傳遞的關鍵技術問題,2017年,中國計量科學研究院曾建立了最大量程1千克的高準確度真空質量測量裝置,該系統測量靈敏度優于0.1μ克。在真空質量測量、真空質量標準的傳遞等方面取得了一系列突破。

王健表示,直到現在,世界各國的計量學家還在尋找量值傳遞的優化方案,也就是說,從舊的尺度完全更替到新的尺度,還有一個循序漸進的過程。

中國科學院自然科學史研究所副研究員李亮告訴《中國科學報》,計量單位從古至今一直在經歷各種變換。用一個新的標準替代舊的標準,要考慮的不僅僅是技術方面的問題,這背后還有文化、歷史和政治等多方面的因素。

“某一個尺度的標準從設立伊始,人們就會想辦法讓這一標準更為可靠與恒定。”李亮表示,每一個標準的確立,其實都是博弈、商討、妥協的結果。

THE END
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