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      1. 百余歲“大K”卸重任 國際計量單位重定義

        2019-05-24 08:39 工人日報

          5月20日,第20個“世界計量日”。從這一天起,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”等4個國際計量基本單位的定義全部改由物理常數定義。

          為紀念這一里程碑式變革,國際計量組織將今年的“世界計量日”主題定為“國際單位制——根本性飛躍”。

          “一個更堅固的地基”

          2018年11月16日召開的第26屆國際計量大會上,53個成員國集體表決,全票通過了關于“修訂國際單位制”的1號決議。

          正是根據這一決議,上述“千克”等四個國際計量基本單位從5月20日獲得了重新定義。

          加上此前對時間單位“秒”、長度單位“米”和發光強度單位“坎德拉”的重新定義,至此,國際單位制的7個基本單位全部實現由常數定義。

          這是國際單位制自1960年創立以來最重大的變革,標志著其定義不再與實物關聯,而是根據定義復現單位量值。

          國際單位制是全球一致認可的測量體系。其起源可以追溯至1875年,17國簽署《米制公約》并正式同意推行統一的國際測量體系。1960年,該體系正式被命名為國際單位制,縮寫為SI。

          國際單位制規定的7個基本單位,好比7塊彼此獨立又相互支持的“基石”。國際單位制規定的其他單位,如力的單位牛頓、電壓單位伏特等,都可以通過7個基本單位導出。

          新的定義用自然界恒定不變的“常數”替代了實物原器,光速等以量子物理為基礎的自然常數走上前臺,保障了國際單位制的長期穩定性;

          “定義常數”不受時空和人為因素的限制,保障了國際單位制的客觀通用性;

          新定義可在任意范圍復現,保障了國際單位制的全范圍準確性。

          國際計量局局長馬丁·米爾頓在公開發表的聲明中表示,此次國際單位制的修訂,意味著深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。

          “這好比你給房子換了一個更堅固的地基,從表面上是不可能看到任何變化的,但它可能已經發生了實質性的變化,使房子變得更耐久了”,米爾頓說。

          “不變”的“巨變”

          7個基本單位全部改由物理常數定義,可謂“不變”的“巨變”。

          對于絕大多數人來說,計量基準的改變,不會對自己的日常生活產生直接的影響,除電學單位外,新定義下各個單位大小和舊定義幾乎完全一致,電學單位的改變事實上也微乎其微。

          人們日常接觸的測量活動沒有明顯區別,從超市電子秤到工業大尺寸坐標測量機,定義修訂前后,測量的數值并不會發生變化。

          但是,在更加細微而深刻的地方,國際基本單位的“巨變”可能對人類當下乃至未來的發展產生難以估量的巨大影響。

          1967年,時間基準率先完成量子化變革,以銫-133原子超精細能級躍遷頻率來定義秒。重新定義后的秒,比以前的測量精度提升了上千萬倍,相當于從數年誤差一秒精確至數千萬年誤差一秒。

          1983年,第17屆國際計量大會上引入了光速常數,并利用了已經完成量子化定義的“秒”,重新定義了“米”。

          此后,高精度的時間計量被廣泛應用到人類生產生活的各個領域,如衛星導航、通信、電力、交通、金融等行業,成就了數萬億美元的定位和服務市場。

          現在人們日常用的地圖導航、打車軟件、共享單車等,從某種意義上講都是“秒”重新定義帶來的成果。

          正因為有了“原子秒”,采用5G技術的通信基站之間的時間同步水平達到100納秒,甚至有望達到幾十納秒,從而使得一部電影的下載時間從幾天縮短到幾十秒、幾秒。

          類似的,在“米”以光速定義后,測量精度提高了萬倍以上,實現了從原子尺度到宇宙尺度的全范圍、高準確測量,由此誕生了激光測長技術,推動了納米科技和精密制造的快速發展,也為深空探測奠定了精密時空測量基礎。

          隨著國際計量基本單位在全面“去實物化”標準后精度與穩定性的大幅提升,可能催生一大批革命性的新技術,從而帶來產業的跨越式發展。

          “大K”的故事

          作為最后一個退出歷史舞臺的實物基準,曾在過去100多年中為全球定義“千克”單位的“大K”的故事,正是人類在計量精確化之路上不斷進步的縮影。

          “大K”是“國際千克原器”的昵稱。它是一塊含90%鉑、10%銥的鉑銥合金圓柱體,高度和直徑均為39.17毫米。

          從 1889 年起,它一直被收藏在位于法國巴黎的國際計量局地下室中,這所地下室上方,是塞納河畔的一所17世紀皇家狩獵園林。

          1799年,法國科學家提出了“千克”最初的定義,即1立方分米純水在最大密度(溫度約為4攝氏度)時的質量定為1千克。

          隨著研究的深入,科學家發現原來的“千克”原器基準并不準確。

          1878年,國際計量局制造了3個千克原器的復制品,為含90%鉑和10%銥的鉑銥合金圓柱體。

          在1889年的第一屆國際計量大會上,其中的一個千克原器被規定為國際千克原器基準,并存放于國際計量局——這就是“大K”。

          為防范污染,“大K”以三層鐘形玻璃罩真空密封。每過40年取出一次,接受清洗和檢查,迄今“面世”4次。

          以“大K”為對照標準,人們還制造了同原器保存在完全相同環境里的6個“千克”原器副本,日常的校準使用的10個工作副本和分散在全球不同國家與地區的40個國家原型副本。

          每過40年,“大K”會和6個原器副本進行比照對證,40個國家原型副本則被定期送回國際度量局加以核對。

          盡管小心翼翼,“大K”與各副本之間的質量一致性還是發生了細微變化。據國際計量局數據顯示,百年來各國保存的質量基準與“大K”的一致性發生了約0.05毫克的變化。

          更麻煩的是,目前尚難以探明其中原因,不清楚到底是“大K”質量單獨發生了變化還是“大K”與其他副本的質量同時發生了變化。

          由于“大K”無法繼續承擔“完美的千克”基準的“重任”,科學家提出以量子力學中的普朗克常數為基準重新定義質量單位,讓質量基本單位更加穩定、更適合傳遞、更加可靠,且適用于任何地點、任何時間。

          盡管如今百余歲的“大K”已“卸下重擔”,但它仍將以現有方式保存。科學界將在今后數十年觀察它隨著周圍環境改變而發生的重量變化,讓它繼續為人類的科學事業做出貢獻。

        責編:樊俊卿
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