來源:經(jīng)濟日報
前不久，第26屆國際計量大會（CGPM）經(jīng)包括我國在內(nèi)的53個成員表決，全票通過了關(guān)于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。至此，國際測量體系的7個基本單位有史以來第一次全部建立在不變的常數(shù)上，保證了SI的長期穩(wěn)定性和環(huán)宇通用性。不少專家表示，SI修訂是科學(xué)進步的又一座里程碑。
1千克到底多重？不少人聽到這個問題時，可能會陷入迷茫，1千克不就是1公斤嗎？可問題又來了，1公斤又是多重呢？
其實，千克的定義能夠追溯到128年以前，科學(xué)家們將一個直徑與高度都為39毫米的鉑銥合金圓柱體作為1千克的標準重量，也就是所謂的“國際千克原器”（IPK）。她被保存在法國的國際計量局中。
而根據(jù)第26屆國際計量大會的最新決議，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”4個國際單位制（SI）基本單位的定義將改由常數(shù)定義，于2021年5月20日起正式生效。
用不變的常數(shù)替代主觀
國際單位制（SI）是全球一致認可的測量體系。她的起源可以追溯至1875年_17國簽署《米制公約》，并正式同意推行統(tǒng)一的國際測量體系。
SI由7個基本單位以及許多導(dǎo)出單位組成，這些基本單位除了“千克”“開爾文”“安培”“摩爾”外，還有“秒”“米”，以及發(fā)光強度單位“坎德拉”。SI必須確保所有日常使用的測量單位，在全球都是可比的、一致的?；蛟S時間上相差零點幾秒鐘，不會影響烹調(diào)口感，但對于誰贏得了奧運會的百米短跑冠軍，卻是尤為重要的。
“‘米制’在創(chuàng)立之初的愿景即是‘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‘常數(shù)’而非某種主觀的標準來定義單位，這一點隨著SI的修訂真正成為現(xiàn)實?！眹H計量委員會主席白瑞·英格里斯說。
正如國際計量局局長馬丁·米爾頓在聲明中表示，此次SI的修訂，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(chǔ)，意味著我們在深化科學(xué)認知、推動技術(shù)進步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅實了。盡管從表面而言，大多數(shù)人并不會看到太大變化。
“這好比你給房子換了更為堅固的地基，從表面上看不出任何變化，但她其實使房子變得更耐久了?！瘪R丁·米爾頓說，“就像1967年用原子的特性修訂秒的定義一樣_修訂之初，人們并不知道她可以用在哪里，但現(xiàn)在，基于原子鐘的計時技術(shù)已成為互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)的基礎(chǔ)。新SI也是這樣，她將在未來對科學(xué)、貿(mào)易、健康等更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響”。
實物原器退出歷史舞臺
根據(jù)此次SI的修訂，4個基本單位中，千克將用普朗克常數(shù)（h）定義，安培將用電子電荷（e）定義，開爾文將用玻爾茲曼常數(shù)（k）定義，摩爾將用阿伏伽德羅常數(shù)（NA）定義。
我國計量科學(xué)研究院院長方向指出，新定義用自然界恒定不變的“常數(shù)”替代了實物原器，保障了SI的長期穩(wěn)定性；“定義常數(shù)”不受時空和人為因素的限制，保障了SI的客觀通用性；新定義可以在任意范圍復(fù)現(xiàn)，保障了SI的全范圍準確性；新定義不受復(fù)現(xiàn)方法限制，保障了國際單位制的未來適用性。
起初，測量單位是基于實物或物質(zhì)的特性來定義的。但以實物作為基準，總會遇到一個問題_這些實物會隨時間或環(huán)境改變而變化，不能滿足對測量準確度的需求。
以用來定義千克的鉑銥合金圓柱體為例，“總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程導(dǎo)致她的特性發(fā)生緩慢變化_因而，她所保存的量值也會有所改變?！蔽覈こ淘涸菏俊⑽覈嬃吭菏紫芯繂T張鐘華指出。另據(jù)國際計量局數(shù)據(jù)顯示，百年來，各國保存的質(zhì)量基準與國際千克原器的一致性共發(fā)生了約0.05毫克的變化。
早在20世紀中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大提高，時間、長度的SI單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計量委員會起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等，并鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關(guān)研究工作。
當SI修訂生效，國際千克原器將成為千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實物原器將繼續(xù)完美保存，為新定義的相關(guān)研究和國際比對發(fā)揮“余熱”。
“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)h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IPK質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必擔心IPK丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的災(zāi)難?！蔽覈嬃吭貉芯繂T李正坤說。
我國計量邁入量子化時代
那么，國際單位制變革將如何影響我們的生活？“重新定義將催生新的測量原理、測量方法和測量儀器。譬如，集多參量、高精度為一體的芯片級綜合測量，不受環(huán)境干擾無需校準的實時測量，眾多物理量、化學(xué)量和生物量的極限測量等將成為可能，測量儀器儀表形態(tài)也將全面創(chuàng)新。”市場監(jiān)管總局計量司司長謝軍說。
謝軍告訴發(fā)文人，1號決議實施后，通過嵌入芯片級量子計量基準，將能夠使最高測量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品制造全過程更準確穩(wěn)定地感知和最佳控制，有力支撐流程再造、節(jié)能減排和質(zhì)量提升等，助推當前世界范圍內(nèi)正在進行的新一輪以信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能為特征的科技革命發(fā)展。
我國獲得國際互認的校準和測量能力已躍居全球第三、亞洲第一。在這次國際計量單位制重大變革中，作為國家計量院的我國計量科學(xué)研究院就利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得了玻爾茲曼常數(shù)，為基本單位“開爾文”的修訂作出了重要貢獻。
國際計量局官方聲明顯示，在千克重新定義后，國際計量局將繼續(xù)開展關(guān)于千克復(fù)現(xiàn)基準方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”，各成員國應(yīng)據(jù)此開展量值傳遞。目前，我國計量院已獨立建立了基于新定義的千克復(fù)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，其不確定度將達到與“共識值”相當?shù)乃?，以保障未來我國質(zhì)量量值與國際等效一致。
謝軍表示，我國計量界將緊緊抓住這次變革帶來的歷史性機遇，加強面向國家戰(zhàn)略需求的計量基礎(chǔ)研究、前沿性研究，制定量子化時代的我國計量發(fā)展新規(guī)劃（2021年-2035年），加快構(gòu)建國家現(xiàn)代先進測量體系。
至于最先落地的，應(yīng)該是教科書。方向說，這需要重構(gòu)物理、化學(xué)相關(guān)科學(xué)知識體系?！靶碌膰H單位制比原有的要更加抽象，我們基本上可以采用一個新的坐標系來闡述整個世界。這不僅向每個學(xué)生提出挑戰(zhàn)，更是對每位老師教學(xué)方法的挑戰(zhàn)?！狈较蛘f。（發(fā)文人 郭靜原）
