11月16日，第26屆國際計(jì)量大會（CGPM）經(jīng)各個(gè)成員國表決，通過了關(guān)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(gè)_質(zhì)量單位千克、電流強(qiáng)度安培、熱力學(xué)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(gè)國際計(jì)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(gè)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(shí)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。“國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)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(rèn)識和定義質(zhì)量、時(shí)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(rèn)知、推動技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了?！?/p>

實(shí)物原器將退出歷史舞臺

自啟蒙時(shí)代起，國際測量界就致力于建立一個(gè)“全球通用”的測量系統(tǒng)。用實(shí)物作為測量基準(zhǔn)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(gè)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”。“大K”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(xiǎn)箱內(nèi)。

被用來向公眾展示的一個(gè)被放置于兩個(gè)保護(hù)性玻璃罩中的國際千克原器復(fù)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(zhǔn)重量。130年來，這個(gè)閃閃發(fā)光的鉑銥合金圓柱體一直是世界質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。但其質(zhì)量受空氣污染和氧化等因素影響出現(xiàn)了細(xì)微變化，已難以適應(yīng)現(xiàn)代精密測量的要求。因此科學(xué)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(jì)量大會通過的關(guān)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(gè)物理工件“大K”的命運(yùn)。也就是說，最受關(guān)注的“千克”定義，將以量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)為基準(zhǔn)，其原理是將移動質(zhì)量1千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)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(jì)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(xiǎn)箱內(nèi)，為新定義相關(guān)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(jì)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(fù)制品是被用19世紀(jì)末至20世紀(jì)初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當(dāng)時(shí)也滿足了對于計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求。但實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)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(zhǔn)、BIPM官方作證基準(zhǔn)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(gè)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?fù)?dān)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(zāi)難?！崩钫け硎尽?/p>

此次國際單位制的修訂，第一次使所有的基本單位和導(dǎo)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(shí)。

“給房子換個(gè)更堅(jiān)實(shí)的地基”

在新定義生效前后，計(jì)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(zhǔn)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(gè)更堅(jiān)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(shí)質(zhì)性的變化，使房子變得更耐久了。”米爾頓說。

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(biāo)準(zhǔn)。

“‘米制’在創(chuàng)立時(shí)的愿景即‘為全人類所用，在任何時(shí)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(biāo)準(zhǔn)來定義單位，而這一點(diǎn)隨著國際單位制的修訂真正成為了現(xiàn)實(shí)。”國際計(jì)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(dú)立于這些被定義單位的復(fù)現(xiàn)方式。也就是說，這些定義不會隨著新復(fù)現(xiàn)方式的出現(xiàn)而過時(shí)。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導(dǎo)線間的電磁作用力”，這意味著電流需要采用一定的復(fù)現(xiàn)方式來定義。但是，隨著約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，舊的定義方式過時(shí)了。而安培的新定義則只和一定時(shí)間內(nèi)通過的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式。

“新定義生效后，千克可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)現(xiàn)，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此?！眹H計(jì)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(rèn)識和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著人們在深化科學(xué)認(rèn)知、推動技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了。

但另一方面，即便是那些變革的支持者也承認(rèn)，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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)家Jon Pratt說。

國際單位制修訂的我國貢獻(xiàn)

早在20世紀(jì)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(zhǔn)確度得到了極大的提高，時(shí)間、長度的國際單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計(jì)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(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究工作。

發(fā)文人了解到，截至目前，我國計(jì)量科學(xué)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(zhǔn)的建立方面取得了一系列突破，他們還利用聲學(xué)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(xiàn)。

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(guān)于千克復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”。建有相關(guān)復(fù)現(xiàn)裝置的國家計(jì)量院必須在“共識值”的基礎(chǔ)上依據(jù)新定義進(jìn)行量值傳遞，直到其獨(dú)立復(fù)現(xiàn)的不確定度達(dá)到與“共識值”相當(dāng)?shù)乃健?/p>

我國計(jì)量院已獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)可的測量體系，包括7個(gè)基本單位，分別是長度單位米、質(zhì)量單位千克、時(shí)間單位秒、電流強(qiáng)度單位安培、熱力學(xué)溫度單位開爾文、物質(zhì)的量單位摩爾和發(fā)光強(qiáng)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(xué)報(bào)》 第3版，原標(biāo)題為《國際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)開啟新紀(jì)元》。