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从实物原器到常数定义,让1千克成为更准确的1千克

来源:《中国科学报》 时间:2019-06-06 15:23:47

今年刚过去不久的“5·20”不仅是现代版情人节,一个影响全世界的变化也就此开始——新修订的国际单位制(SI)在第20个世界计量日正式启用。“秒”“米”“千克”等7个基本单位的定义标准将从原本的实物原器变为由常数定义。

原本好好的标准为何要改变?这样的改变将给全球带来怎样的影响?为了这样一个改变,世界各地的科学家又做出了怎样的贡献?

国际计量委员会副主席约阿希姆·乌尔里希曾公开表示,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。

但变化并不仅限于此。“SI重新定义,意味着所有SI单位将由描述客观世界的常数定义。重新定义开启了任意时刻、任意地点、任意主体根据定义实现单位量值的大门,对经济、科技与民生等都将产生深刻影响。”湖北省计量测试技术研究院副院长汤雄在文章中指出。

然而,为了让1千克成为更准确的1千克,确定标准后,研究者为了找到合适的操作方法,还有不少工作要做。

极致“强迫症”

2018年11月,第26届国际计量大会(CGPM)在法国凡尔赛举行。此次大会正式通过了经53个成员国表决的关于修订SI的1号决议。即SI基本单位中的4个单位——质量单位千克、电流单位安培、温度单位开尔文、物质的量单位摩尔分别由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛加德罗常数NA定义。

加上长度单位米、时间单位秒和光照强度单位坎德拉,至此国际单位制的7个基本单位全部由物理常数定义。这一改变的实现其实是全世界研究者共同努力的结果。

梳理历届国际计量大会的主题可以发现,世界各国的计量学研究者可谓是一群有着极致“强迫症”的人。从几百年前开始,这群人就开始琢磨怎样缩小单位标准的不确定性。从1889年首届CGPM开始,从最基本的米、千克起,到逐步扩大基本单位数量,再到将每一种定义升级到更精确的水平……一套严密、完整的单位制随着人类的科学、贸易进步而诞生。

以质量单位千克为例,18世纪时,人们对1千克的定义是4摄氏度时1立方分米水的质量。到了1889年,一块由铂铱合金制成的圆柱块成了人们衡量千克的标准。这一被称为千克原器的圆柱体直径和高度约为39毫米,服役时间长达130年。大部分时间里,千克原器静静躺在法国塞夫勒布勒特伊宫地下的保险箱中。国际计量局会据此复制出同样尺寸的砝码,分发给成员国作为国家基准。

但在此期间,由于使用中形成的磨损、缓慢吸附在物体上的气体等原因,人们意识到原器和复制品之间存在质量值偏差。经过1889年、1946年和1989年的3次校准,各国基准与原器本身的差值浮动范围平均在0.05毫克,千克原器的稳定性受到质疑。更重要的是,千克原器作为一个实体,一旦丢失,整个世界将陷入混乱。

其实在千克之前,世界各国的研究者已经就某些单位的重新定义达成了一致。比如1983年,第17届CGPM重新定义了1米有多长:光在真空中行进1/299792458秒的距离。在更早的1967年,1秒的定义就已进入原子时代:铯原子中电子能级跃迁周期的9192631770倍就是1秒钟。

2005年,国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数定义部分SI基本单位的框架草案,鼓励有能力的国家级实验室开展相关研究。其中千克将通过基本恒定的普朗克常数定义,这意味着质量基本单位的不确定性会进一步缩小。

不过,实现这一步,还有一些条件需要满足。

世界五大挑战之一

中国计量科学研究院研究员王健告诉《中国科学报》,千克的重新定义工作可分为两大部分:量值复现和量值传递。前一个部分就包括测量普朗克常数。

以物理常数为基准定义1千克有多重,首先要确定其准确度。因此首先应对普朗克常数进行精确测量。这一工作可谓是计量学领域的一大险峰,曾在2012年被《自然》杂志评选为世界五大最具挑战性的科学实验之一,与探索外星生命和捕捉引力波齐名。有了精确测量的普朗克常数后,不仅是千克的定义,摩尔、安培等基本单位所依照的常数也可以确定下来。

对此,世界各国的科学家有机会一展身手。获得广泛认可的方法之一是通过功率天平测定普朗克常数,原理是将对质量的测量等价为对电磁力的测量。该方法1975年由英国国家物理实验室基布尔博士提出,因而功率天平又称基布尔天平。之后,美国、瑞士、法国、加拿大等国家的研究团队纷纷展开攻关,力求提升测量准确性。2017年,美国国家计量院宣布用第四代功率天平测定的结果不确定度为1.3×10-8,准确性进一步提升。

2006年,中国计量科学研究院计量学专家、中国工程院院士张钟华等人提出了名为“能量天平”的新方案。原理是基于电磁能量和机械势能平衡,测量结果与天平中线圈的静态位置相关,线圈运动过程中产生的误差可被消除。2017年,在中国向国际科学数据委员会基本物理常数任务组提交的测量结果中,不确定度为2.4×10-7。未来,这一准确性还会随着方案的优化进一步提升。

从旧到新

量值复现工作基本完成后,还需要考虑量值传递的问题。王健告诉《中国科学报》,从前的千克实物原器都不是在真空条件下移动,在进行质量的传递时,也都是在空气中完成一系列操作。

而不论采用功率天平法还是能量天平法重新定义千克,都是在真空条件下测量普朗克常数。这就意味着,要依照新的定义标准把真空状态下测出的质量传递到空气中的砝码上并没有那么简单。

为了解决量值传递的关键技术问题,2017年,中国计量科学研究院曾建立了最大量程1千克的高准确度真空质量测量装置,该系统测量灵敏度优于0.1μ克。在真空质量测量、真空质量标准的传递等方面取得了一系列突破。

王健表示,直到现在,世界各国的计量学家还在寻找量值传递的优化方案,也就是说,从旧的尺度完全更替到新的尺度,还有一个循序渐进的过程。

中国科学院自然科学史研究所副研究员李亮告诉《中国科学报》,计量单位从古至今一直在经历各种变换。用一个新的标准替代旧的标准,要考虑的不仅仅是技术方面的问题,这背后还有文化、历史和政治等多方面的因素。

“某一个尺度的标准从设立伊始,人们就会想办法让这一标准更为可靠与恒定。”李亮表示,每一个标准的确立,其实都是博弈、商讨、妥协的结果。(任芳言)