這次真要改教科書了！

剛剛，正在法國凡爾賽召開的第26屆國際計(jì)量大會(huì)通過了修訂國際單位制（SI）的決議。國際單位制中的4個(gè)基本單位改由自然常數(shù)來定義，并于2019年國際計(jì)量日（5月20日）起正式生效。至此，國際單位制7個(gè)基本單位將全部由基本物理常數(shù)定義。

圖為以國際千克原器為基準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置

這4個(gè)基本單位分別是：質(zhì)量單位千克、電流單位安培、物質(zhì)的量單位摩爾以及溫度單位開爾文。其中，千克采用普朗克常數(shù)定義，安培采用基本電荷量定義，摩爾采用阿佛加德羅常數(shù)定義，開爾文采用玻爾茲曼常數(shù)定義。

國際單位體系邁向量子時(shí)代

盡管這些單位的大小不會(huì)發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克，但修訂后的基本單位，提高了SI的整體穩(wěn)定性和實(shí)用性。

“國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑。”國際計(jì)量局局長馬丁·米爾頓表示，“用基本常數(shù)作為我們認(rèn)識(shí)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?cè)谏罨茖W(xué)認(rèn)知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì)重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了。”

決議的通過，預(yù)示著用實(shí)物基準(zhǔn)定義測(cè)量單位的方法即將退出歷史舞臺(tái)。“這是我們?nèi)祟愒诨締挝惑w系中首次徹底擺脫了實(shí)物基準(zhǔn)，將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關(guān)鍵一步。” 在國際計(jì)量局物理計(jì)量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日?qǐng)?bào)記者獨(dú)家采訪時(shí)表示。

基本單位的量子化雖然從表面上人們并不會(huì)看到太大的變化，但是它對(duì)高精尖科技的發(fā)展卻至關(guān)重要。

1967年，時(shí)間單位秒采用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”進(jìn)行定義，這標(biāo)志著國際單位體系從實(shí)物時(shí)代開始邁向量子時(shí)代。原子時(shí)誕生50年來，時(shí)間頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度躍升1000萬倍，成為目前測(cè)得最準(zhǔn)的物理量。正是基于時(shí)間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度更是達(dá)到了厘米級(jí)別，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)。

100多年變化50微克也不行

質(zhì)量單位千克是目前唯一還在使用實(shí)物基準(zhǔn)定義的基本單位，1千克質(zhì)量的量值，是用保存在國際計(jì)量局的一個(gè)砝碼——國際千克原器來確定的。

之所以用這個(gè)砝碼來定義質(zhì)量的單位千克，是因?yàn)樵?00多年前，計(jì)量學(xué)家發(fā)現(xiàn)，選用鉑銥合金（90%鉑+10%銥）制成的砝碼的化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定。于是，1889年召開的第1屆國際計(jì)量大會(huì)，決議采用鉑銥合金砝碼定義質(zhì)量單位千克。

從1889年千克定義到今天，國際千克原器與6個(gè)同等材料制成、同等保存條件的國際千克原器復(fù)制品的量值比對(duì)試驗(yàn)共進(jìn)行了4次。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100多年間，這6個(gè)千克原器復(fù)制品與國際千克原器在質(zhì)量一致性上發(fā)生了約50微克的變化。

“這么微小的變化，雖然說現(xiàn)階段還不足以影響人們的日常生活，但其長期積累的效應(yīng)，無疑會(huì)影響國際計(jì)量制體系的穩(wěn)定性，并且會(huì)對(duì)精密科學(xué)研究產(chǎn)生不良影響。”

這是因?yàn)?個(gè)基本單位的定義之間并不是彼此獨(dú)立的，千克量值的不穩(wěn)定性，還會(huì)影響SI其他基本單位的量值。比如，在基本單位定義中，電流單位安培的定義用到了導(dǎo)出單位牛頓，而牛頓這個(gè)單位中就包含質(zhì)量單位千克。同時(shí)，摩爾的定義中也用到了千克。

與此同時(shí)，以前人們對(duì)實(shí)物基準(zhǔn)，總擔(dān)心因?yàn)樘鞛?zāi)或人禍而損毀，而采用基本物理常數(shù)重新定義基本單位后，人們就無需考慮這個(gè)問題了。并且，在以前，當(dāng)新的、更準(zhǔn)確的計(jì)量技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致基本單位的定義要被修改。比如，質(zhì)量單位千克在被定義為國際千克原器的質(zhì)量之前，還曾被定義為4攝氏度下1立方分米水的質(zhì)量。

“采用基本物理常數(shù)定義SI基本單位后，可以在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)避免基本單位的定義被反復(fù)修改。而且未來隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，只會(huì)不斷提升單位量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，但不會(huì)輕易改變基本單位的定義。”李世松說。

中國參與國際單位制修訂工作

那么，國際單位制修訂這么重要的事，我國是否參與了呢？

答案是必須滴！

據(jù)介紹，本次涉及SI基本單位重新定義的基本物理常數(shù)有4個(gè)，但基于基本物理定律的聯(lián)系，其中有三個(gè)，即普朗克常數(shù)、基本電荷量和阿伏伽德羅常數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量確定其中之一，便能推導(dǎo)出其他兩個(gè)的量值。因此，這次國際單位制修訂中，僅需要準(zhǔn)確測(cè)量定玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)（或阿佛加德羅常數(shù)）的量值。

李世松表示，在玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量方面，近年來，我國計(jì)量科學(xué)研究院的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)采用兩種獨(dú)立的測(cè)量方案，對(duì)玻爾茲曼常數(shù)進(jìn)行了精密測(cè)量。他們最近發(fā)表的兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度指標(biāo)分別為2.0×10-6和2.7×10-6，其均已被國際科學(xué)數(shù)據(jù)委員會(huì)采用，這對(duì)此次國際單位制修訂中確定玻爾茲曼常數(shù)的最終量值做出了重要貢獻(xiàn)。

在對(duì)普朗克常數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量方面，中國計(jì)量科學(xué)研究院主導(dǎo)，聯(lián)合清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位，發(fā)展出了一種在測(cè)量方法上具有特色的能量天平方案及試驗(yàn)裝置，2017年發(fā)表的其測(cè)量結(jié)果的不確定度為2.4×10-7，離被此次國際上確定普朗克常數(shù)量值的準(zhǔn)確性要求僅一步之遙。

此外，我國計(jì)量科學(xué)研究院與清華大學(xué)合作，還提出了一種具有原創(chuàng)性的普朗克常數(shù)精密測(cè)量方案，并研發(fā)出來相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，其目前的測(cè)量不確定度指標(biāo)也已初步達(dá)到10-6量級(jí)，且其測(cè)量準(zhǔn)確性有望進(jìn)一步提升。

原標(biāo)題：定了！“國際千克原器”明年退休，基本計(jì)量單位邁向量子時(shí)代