国际计量标准开启新纪元 “千克”等单位被重新定义

　　来源：中国科学报

　　就像一位年迈的君主，“大K”即将向现代化低头。130年来，这个闪闪发光的铂铱合金圆柱体一直是世界质量标准。

　　众所周知的“1千克”这一质量单位由一个直径和高度同约为39毫米的铂铱合金圆柱体定义，即“国际千克原器”，外号为“大K”。“大K”原器保存在巴黎西郊一间地下储藏室内。

　　法国塞夫勒的国际度量衡局（BIPM）每隔40年左右就会把“大K”取出来，在世界各地校准重量。但其质量受空气污染和氧化等因素影响出现了细微变化，已难以适应现代精密测量的要求。因此科学界一直想用一种基于物理常数的定义将其取代。

　　11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）经各个成员国表决，通过了关于“修订国际单位制”的决议。根据决议，国际单位制基本单位中的4个――千克、安培、开尔文、摩尔分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数、阿佛加德罗常数定义。决议将于下一个国际计量日，即2019年5月20日正式生效。

　　尽管这些单位的大小不会发生变化――1千克还将是原来的1千克，但修订后的4个单位将与秒、米和坎德拉一起，共同提高国际单位制的整体稳定性和实用性。

　　这是国际单位制自1960年创建以来最为重大的一次变革。“国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”BIPM局长马丁?米尔顿表示，“用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础，意味着我们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。”

　　实物原器将退出历史舞台

　　自启蒙时代起，国际测量界就致力于建立一个“全球通用”的测量系统。用实物作为测量基准虽是可行的方式，但也是测量界想要尽早摒弃的方式。

　　值得注意的是，这次修改重写了用于定义单位的最后一个物理工件“大K”的命运。即最受关注的“千克”定义，将以量子力学中的普朗克常数为基准，其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。

　　因此，从2019年国际计量日开始， “大K”将继续以原有状态保存在法国塞夫勒的布勒特伊宫地下保险箱内，为新定义相关研究和国际比对发挥“余热”，但它将不再出现于任何物理公式中。

　　中国计量院从事质量新定义研究的研究员李正坤介绍，“大K”及其复制品是用19世纪末至20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求。但实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性缓慢地发生变化，因而它所保存的量值也会有所改变。

　　BIPM官方数据显示，100年间，各国保存的质量基准、BIPM官方作证基准与“大K”的一致性共发生了约0.05毫克的变化。但“大K”质量究竟变化了多少至今仍然是个谜。

　　“用基本物理常数普朗克常数重新定义千克后，质量基本单位更加稳定，量值传递更加可靠，我们不必再考虑‘大K’质量是否发生变化，更不必担心‘大K’丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的毁灭性灾难。”李正坤表示。

　　此次国际单位制的修订，第一次使所有的基本单位和导出单位都建立在恒定不变、全球通用的常数上――国际测量界多年夙愿成为了现实。

　　“给房子换个更坚实的地基”

　　在新定义生效前后，计量单位的大小不会发生显著变化，也就是说，1千克还是原来的1千克，测量结果在很高的准确度水平上仍然是一致的。那么，这次修订又有什么意义呢？

　　“这好比你给房子换了一个更坚固的地基，从表面上是不可能看到任何变化的，但它可能已经发生了实质性的变化，使房子变得更耐久了。”米尔顿说。

　　国际单位制的起源可以追溯至1875年――十七国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。

　　“‘米制’在创立时的愿景即‘为全人类所用，在任何时代适用’。其初衷是用一种全球一致的‘自然常数’而非某种主观的标准来定义单位，而这一点随着国际单位制的修订真正成为了现实。”国际计量委员会主席白瑞?英格里斯表示。

　　这是国际单位制定义第一次独立于这些被定义单位的复现方式。也就是说，这些定义不会随着新复现方式的出现而过时。以安培为例，其旧定义是“两条间隔一定距离的导线间的电磁作用力”，这意味着电流需要采用一定的复现方式来定义。但是，随着约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的出现，旧的定义方式过时了。而安培的新定义则只和一定时间内通过的电子数有关，并不涉及复现方式。

　　“新定义生效后，千克可以通过任何适当的方法复现，比如基布尔天平法和阿佛加德罗法等，但并不仅限于此。”国际计量委员会副主席约阿希姆?乌尔里希表示。

　　米尔顿在公开发表的声明中说，用基本常数作为人们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础，意味着人们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。

　　但另一方面，即便是那些变革的支持者也承认，这可能会让非专业人士感到困惑。“头脑冷静的人会说，‘我们该怎么教人们使用这种单位？’”马里兰州美国国家标准与技术研究所物理学家Jon Pratt说。

　　国际单位制修订的中国贡献

　　早在20世纪中叶，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，时间、长度的国际单位先后经历了修订。2005年，国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数重新定义部分国际单位制基本单位的框架草案，建议采用普朗克常数定义千克等，并鼓励有能力的国家级实验室开展相关研究工作。

　　记者了解到，截至目前，中国计量科学研究院已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿佛加德罗常数等物理常数测量以及量子基准的建立方面取得了一系列突破，他们还利用声学法和噪声法两种方法测得玻尔兹曼常数，为国际单位制温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。

　　BIPM官方声明显示，该局将在千克重新定义以后继续开展关于千克复现基准方法的国际比对，并得出千克的国际“共识值”。建有相关复现装置的国家计量院必须在“共识值”的基础上依据新定义进行量值传递，直到其独立复现的不确定度达到与“共识值”相当的水平。

　　中国计量院已独立建立了基于新定义的千克复现装置，并成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置，以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

　　据悉，国际单位制是全球一致认可的测量体系，包括7个基本单位，分别是长度单位“米”、质量单位“千克”、时间单位“秒”、电流强度单位“安培”、热力学温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。