千克的定义变了

时间:2018年12月14日信息来源:科普中国 点击: 收藏此文 【字体:

千克的定义变了

  国际千克原器“大K”。

  新华社发

千克的定义变了

  中国千克重新定义复现装置。

  中国计量科学研究院供图

  11日,国家市场监督管理总局召开新闻发布会,介绍质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”的新定义,并宣布明年5月20日起,作为国际计量局的成员,中国将与全球其他国家一致启用新修订后的国际单位制。

  国际千克原器失准,改用不依赖物理实物的自然常数计量

  根据现行定义,1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器(IPK)的质量。而国际千克原器则是一块高尔夫球大小的铂铱合金圆柱体,别名“大K”。

  为了保证质量稳定,“大K”自诞生起一直被安放在巴黎郊区的一个保险箱里,并受到严密监控。“只有国际计量局局长、国际计量局主席、法国国家档案馆馆长同时在场,才能开启保险箱。” 中国计量科学研究院院长方向说,国际计量局各成员国按照一样的大小、原材料复制了若干个复制品,来保证全球计量标准的一致。中国计量科学研究院就保存了3个,目前有效的还有两个。

  各国保存的复制品,会定期到国际计量局与“大K”进行校准,但130年之后,复制品的平均水平与“大K”发生了50微克偏差。

  这其中,可能有复制品因存放、运输等问题而导致的质量变化,但也无法排除“大K”本身出现了质量漂移。“实物基准一旦制成,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化。哪怕落上一粒尘埃,‘大K’保存的量值也会有所变化。至今,‘大K’的质量是否发生了变化,变化了多少仍是一个谜。” 方向说。

  鉴于实物本身的不稳定性,国际计量界一直致力于建立一个不依赖于实物原器的测量体系。20世纪以来,随着量子技术的发展,人类对各种物理量的测量准确度得到了极大的提高。科学家发现,这些常数比实物稳定百万倍,并将其数值固定了下来。于是,科学家们开始探讨采用物理常数来定义国际计量单位。

  在11月16日举行的第二十六届国际计量大会上,经包括中国在内的53个成员国集体表决,全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。未来,千克将以符号为h的普朗克常数定义,“大K”正式退役。“改用普朗克常数定义千克后,我们将不必担心‘大K’的质量发生变化,更不必担心国际千克原器丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的毁灭性灾难。”方向说。

  国际单位制的变化不会影响人们日常的生产生活

  除了千克,在本届国际计量大会上,电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”等3个国际单位制的定义也将由常数定义,并于明年的世界计量日5月20日正式生效。加之此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义,至此,国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。

  国际单位制重新定义后,会对日常生活产生什么影响呢?

  “千克的定义变化了,我们的体重会变重吗?买菜会变贵吗?不会,你买一斤菜还是一斤菜。”方向说,对于大多数普通人,国际单位制的变化不会对生活产生影响。

  方向表示,虽然“安培”的复现方法将使用新的固定基本电荷,将导致10-7的变化,但只会影响最高级别的校准实验室,对实际使用没有影响。

  既然测量单位的变化如此微妙,重新定义国际单位制有何意义呢?

  “这就如同我们给房子换了一个更加坚固的地基,并不太会直接影响我们生活起居,但它实际上已经发生了‘脱胎换骨’的变化,使得房子更耐久。”国家市场监督管理总局计量司司长谢军说。

  他解释道,以前,最准确的千克只有1千克一种,要对一个大于1千克的物体称重,需要将1千克进行重复累加;对一个小于1千克的物体进行称重,则需要将1千克进行分割。而无论累加还是分割的过程都会给量值的准确性带来损失。新的定义则不受限制,可实现全范围的准确性。

  “得益于更高的测量准确度,将直接促进市场公平交易,实现精准医疗,改善节能环保等。如在航空领域,我们将可以测量极高、极低温度的微小变化,从而更加准确地监测航天器表面的温度变化;在生物医药领域,则可以准确测量单个细胞内某种物质的含量,并根据病人的实际需要,制定更加精确的药物剂量。”谢军说。

  再比如,目前,各国依赖的是实物基准逐级传递的计量模式,费时费力、效率低下、误差放大。而在新定义下,只采用芯片级的传感器将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的溯源,物联网各个终端采集的数据由此能实现可比,极大地提高智能制造、物联网等新技术产业的质量水平。

  “就像1967年,我们用原子的特性修订了‘秒’的定义,使我们在几十年后的今天拥有了卫星导航和互联网技术一样,质量单位‘千克’等4个国际单位制的重新定义,将在未来对人类科学、技术、贸易、健康、环境等领域产生重大而深远的影响,而现在我们对这些影响的预判和认识,可能是未知远远大于已知。”谢军说。

  我国已建新千克复现装置,可保障未来质量量值与国际等效

  新的计量单位将如何复现?

  “在旧定义下,要复刻1千克,即对‘大K’进行复制,而在新定义下,则依赖于实验方法。目前中国计量科学研究院已独立建立了基于新定义的千克复现装置,预计将于2019年获得等效的千克定义量值。”方向说,同时,中国计量科学研究院还成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置,可以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

  在时间单位方面,中国计量科学研究院的NIM5铯原子喷泉钟,达到3000万年不差1秒,是国际协调时的8台校准钟之一。在电流单位方面,中国的量子化霍尔电阻基准和约瑟夫森电压基准,多次参加国际比对,测量确定度达到国际领先水平,其中量子化霍尔电阻基准准确度比国外最好水平还高出10多倍。

  而这其中,颇为关键的则是对物理常数的测量能力。据介绍,截至目前,我国已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿伏伽德罗常数等物理常数测量取得了系列突破。特别是中国计量科学研究院用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,均被国际科学技术数据委员会(CODATA)收录,为常数定值做出实质性贡献,也为基本单位开尔文的修订做出了中国贡献。

  方向坦言,我国虽已在单位制量子化和量子基准的研究中取得了一些成绩,但部分物理常数的测量结果与国际一流水平仍有差距,部分基准的建设尚没有启动。同时,我国以“量值传递扁平化”技术为特征的新一代计量技术体系建设刚刚起步,与发达国家相比,一些新兴领域的计量技术仍属空白,极限量、动态量、综合量以及复杂环境下的精密测量明显落后,高端测量仪器仪表基本依赖进口。

  《 人民日报 》( 2018年12月12日 12 版)

(作者:佚名 编辑:admin)
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