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國(guó)際千克原器“大K”。 |
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中國(guó)千克重新定義復(fù)現(xiàn)裝置。 |
11日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，介紹質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開(kāi)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(guó)際計(jì)量局的成員，中國(guó)將與全球其他國(guó)家一致啟用新修訂后的國(guó)際單位制。
國(guó)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(guó)際計(jì)量局保存的國(guó)際千克原器（IPK）的質(zhì)量。而國(guó)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(gè)保險(xiǎn)箱里，并受到嚴(yán)密監(jiān)控?！爸挥袊?guó)際計(jì)量局局長(zhǎng)、國(guó)際計(jì)量局主席、法國(guó)國(guó)家檔案館館長(zhǎng)同時(shí)在場(chǎng)，才能開(kāi)啟保險(xiǎn)箱。” 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院院長(zhǎng)方向說(shuō)，國(guó)際計(jì)量局各成員國(guó)按照一樣的大小、原材料復(fù)制了若干個(gè)復(fù)制品，來(lái)保證全球計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的一致。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院就保存了3個(gè)，目前有效的還有兩個(gè)。
各國(guó)保存的復(fù)制品，會(huì)定期到國(guó)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?wèn)題而導(dǎo)致的質(zhì)量變化，但也無(wú)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(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。哪怕落上一粒塵埃，‘大K’保存的量值也會(huì)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(gè)謎?！?nbsp;方向說(shuō)。
鑒于實(shí)物本身的不穩(wěn)定性，國(guó)際計(jì)量界一直致力于建立一個(gè)不依賴于實(shí)物原器的測(cè)量體系。20世紀(jì)以來(lái)，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?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些常數(shù)比實(shí)物穩(wěn)定百萬(wàn)倍，并將其數(shù)值固定了下來(lái)。于是，科學(xué)家們開(kāi)始探討采用物理常數(shù)來(lái)定義國(guó)際計(jì)量單位。
在11月16日舉行的第二十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，經(jīng)包括中國(guó)在內(nèi)的53個(gè)成員國(guó)集體表決，全票通過(guò)了關(guān)于“修訂國(guó)際單位制（SI）”的1號(hào)決議。未來(lái)，千克將以符號(hào)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(guó)際千克原器丟失、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。”方向說(shuō)。
國(guó)際單位制的變化不會(huì)影響人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活
除了千克，在本屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，電流單位“安培”、溫度單位“開(kāi)爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”等3個(gè)國(guó)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(duì)時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”的重新定義，至此，國(guó)際計(jì)量單位制的7個(gè)基本單位全部實(shí)現(xiàn)由常數(shù)定義。
國(guó)際單位制重新定義后，會(huì)對(duì)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(huì)變重嗎？買菜會(huì)變貴嗎？不會(huì)，你買一斤菜還是一斤菜。”方向說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)普通人，國(guó)際單位制的變化不會(huì)對(duì)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(huì)影響最高級(jí)別的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)實(shí)際使用沒(méi)有影響。
既然測(cè)量單位的變化如此微妙，重新定義國(guó)際單位制有何意義呢？
“這就如同我們給房子換了一個(gè)更加堅(jiān)固的地基，并不太會(huì)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?guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局計(jì)量司司長(zhǎng)謝軍說(shuō)。
他解釋道，以前，最準(zhǔn)確的千克只有1千克一種，要對(duì)一個(gè)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(duì)一個(gè)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(wú)論累加還是分割的過(guò)程都會(huì)給量值的準(zhǔn)確性帶來(lái)?yè)p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(cè)量準(zhǔn)確度，將直接促進(jìn)市場(chǎng)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(cè)量極高、極低溫度的微小變化，從而更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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(cè)量單個(gè)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?！敝x軍說(shuō)。
再比如，目前，各國(guó)依賴的是實(shí)物基準(zhǔn)逐級(jí)傳遞的計(jì)量模式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、誤差放大。而在新定義下，只采用芯片級(jí)的傳感器將可以在工業(yè)產(chǎn)品流水線上實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際單位制的溯源，物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)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?cè)趲资旰蟮慕裉鞊碛辛诵l(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(gè)國(guó)際單位制的重新定義，將在未來(lái)對(duì)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(duì)這些影響的預(yù)判和認(rèn)識(shí)，可能是未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知?！敝x軍說(shuō)。
我國(guó)已建新千克復(fù)現(xiàn)裝置，可保障未來(lái)質(zhì)量量值與國(guó)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(duì)‘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(guó)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。”方向說(shuō)，同時(shí)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院還成功研制了真空質(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。
在時(shí)間單位方面，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的NIM5銫原子噴泉鐘，達(dá)到3000萬(wàn)年不差1秒，是國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)的8臺(tái)校準(zhǔn)鐘之一。在電流單位方面，中國(guó)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(guó)際比對(duì)，測(cè)量確定度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，其中量子化霍爾電阻基準(zhǔn)準(zhǔn)確度比國(guó)外最好水平還高出10多倍。
而這其中，頗為關(guān)鍵的則是對(duì)物理常數(shù)的測(cè)量能力。據(jù)介紹，截至目前，我國(guó)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(cè)量取得了系列突破。特別是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測(cè)得的玻爾茲曼常數(shù)，均被國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（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(kāi)爾文的修訂做出了中國(guó)貢獻(xiàn)。
方向坦言，我國(guó)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(jī)，但部分物理常數(shù)的測(cè)量結(jié)果與國(guó)際一流水平仍有差距，部分基準(zhǔn)的建設(shè)尚沒(méi)有啟動(dòng)。同時(shí)，我國(guó)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(guó)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(dòng)態(tài)量、綜合量以及復(fù)雜環(huán)境下的精密測(cè)量明顯落后，高端測(cè)量?jī)x器儀表基本依賴進(jìn)口。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2018年12月12日 12 版）
(責(zé)編：岳弘彬、曹昆)
