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“千克 ”有多重要重新定义 世界计量科学家通过决议 ,彻底摆脱实物基准 ,将基本单位定义推向 “量子化 ”

来源:咸宁新闻网 时间:2018-11-20 11:32

世界计量科学家通过决议,彻底摆脱实物基  准,将基本单位定义推向“量子化”  

“1千克”究竟有多重?这一国际标准质量单  位近130年来是由一个小巧的铂铱合金圆柱体来  定义的。 

不过,这块外号“大K”的圆柱体就要退役了。  

近日在法国凡尔赛由国际计量局组织的第  26届国际计量大会上,来自世界60多个国家的  计量科学家见证通过了一项重要决议——重新定  义国际计量单位中的4种基本单位,其中就包括  人们熟悉的“千克”。新国际单位体系将于2019  年国际计量日(5月20日)起正式生效。  

当然,对于普通人来说,1千克还会是原来的  1千克,对日常生活不会有太大影响,但在专家眼  里,“这将是1875年《米制公约》签署以来,国际测  量体系面临的最重大变革!”  

那么,为何要重新定义?为什么说此举对科  技创新、产业发展将产生深远影响?

历史意义

国际单位制溯源体系彻底改变

对于普通人来说,这次国际单位制修订不会带来什么  大变化。但是,在很多专家看来,本次国际单位制基本单  位的重新定义,是一个具有里程碑意义的事件。“这是我们  人类在基本单位体系中首次彻底摆脱了实物基准,将所有  基本单位的定义推向‘量子化’的关键一步。”  

李世松认为,本次基本单位修订最重要的影响在于使  国际计量体系以及未来的检定和校准工作等发生改变。  基于自然物理常数定义的国际单位制基本单位本征具有  的开放性,将允许任何实验室或个人建立直接进行国际单  位制溯源的测量和校准装置。  

“在国家层面,我们如果能建立我国自己的基本单位  复现装置,就不用再定期到国际计量局去进行校准。在区  域层面,我们国家如果能建立起国际公认的高准确性基本  单位的复现装置,就能够为其他国家提供校准服务。”李世  松说,“而对国际计量局而言,未来最重要的使命,除了发  展自己的基本单位量值复现装置外,还会更加注重组织不  同国家参与的国际比对,以确保国际单位制基本单位量值  在全世界范围内具有一致性。”  

“国际单位制基本单位重新定义以后,量子基准将取  代实物基准,基本单位可实现独立复现、不再依赖于国际  计量局。这将彻底改变世界计量格局——未来,国际计量  局将不再是世界量值的唯一源头,主要发达国家和新兴发  展中国家计量院将成为国际计量‘多中心’格局的主体。”  国际计量委员会委员、中国计量科学研究院党委书记兼副  院长段宇宁表示。

发展趋势

“米”“秒”的定义都已改由一个  物理常数接任

这一届国际计量大会让“大K”卸任,并以量子力学中 用于计算光子能量的普朗克常数数值为基准,重新定义“千 克”,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。 

支持更新定义者说,用普朗克常数定义“千克”比实物 基准稳定至少100万倍。 

中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所副所 长王健解释说,使用基本物理常数取代千克实物基准,质量 单位的稳定性就不会受到空间和时间的影响。在重新定义 千克的过程中最关键的是普朗克常数的精密测量,而如今 测量的精准度已经达到了重新定义质量单位千克的要求。 

这次单位修正,除了质量单位千克将采用普朗克常数 定义,还涉及3个基本单位:电流单位安培将采用基本电荷 量定义,物质的量单位摩尔将采用阿佛加德罗常数定义,温 度单位开尔文将采用玻尔兹曼常数定义。 

事实上,国际计量大会近几十年先后已修改过多个基 本计量单位的定义——以基本物理常数定义计量单位,可 大大提高稳定性和精确度。

比如“秒”,现在是用铯原子的电子发生一次能级跃迁 所需要的时间来定义的。 

“米”也比过去更酷炫了。18 世纪末,法国科学院将 “一米”定义为北极点到赤道,沿穿过巴黎的子午线距离的 千万分之一。大约100年后,“一米”成了一根特定的铂铱 合金棒的长度。在最近一次重新定义中,也就是1983年, “一米”的定义被改成了“光在真空中行进1/299792458秒 的距离”。 

“用这些不变的参考基准作为测量的基础,意味着这些 单位的定义在未来是可靠、不变的。”在国际计量局物理计 量所功率天平组工作的李世松博士表示。

退役原因

千克原器的体重有了变化

千克是最后一个以实物为基准的计  量单位。但最大问题是,如果千克原器本  身随着时间的推移发生变化了怎么办?  应该说,这也是一直以来人们都在担心的  事。因为可以说,如果有人在“大K”前打  个喷嚏,国际质量标准可能就会乱套。  

所以,千克用千克原器定义后,这个  千克原器就被保存在国际计量局,用3层  玻璃钟罩保护,最外一层抽成半真空,以  防止空气和杂质进入。为保证绝对安全,  它被保存在国际计量局的一个保险箱内,  保险箱必须由3把钥匙同时打开,而这3  把钥匙分别保存在国际计量局局长、国际  计量委员会主席和法国国家档案馆馆长  手中。迄今“大K”仅“面世”4次,每过40  年才取出一次,接受清洗和检查。  

尽管如此小心翼翼,仍不能如人们所  希望的“永不改变”。1992年科学家发现,  比起复制品的平均质量,“大K”的体重减  少了近50微克。2013年德国《计量学》杂  志刊载研究报告称,“大K”因表面遭污染  而增重数十微克。科学家借助X射线光  谱学成像技术,发现大K表面附着数十微  克碳基及汞污染。碳可能来源于汽车尾  气,汞污染物则来自实验室内偶尔打破的  水银温度计和水银气压计。  

50 微克,大约是一粒沙子的十分之  一。这一变化对于普通人的生活来说,没  有太大影响,但对于精密实验和测量,可  能是个大麻烦。  

美国国家标准与技术研究院物理学  家史蒂芬·斯拉明格曾表示:“如果让外星  人知道,我们还在用一块藏在巴黎的金属  来定义质量,大概地球会成为宇宙中的笑  柄。”  

更新定义的建议因而提上日程。

发展简史

“千克”是这样定义出来的

你想过吗,“1千克”究竟有多重由谁  说了算?130年来,全球人的依据都是那  个被锁在位于法国巴黎郊区的国际计量  局地下储藏室保险箱内的国际千克原  器。这是一个39毫米高、底面直径也为  39毫米的金属圆柱体,昵称为“大K”。  

在创建国际通用的计量单位体系  时,最初是规定1立方分米纯水在4摄氏  度时的质量为“1千克”,这是因为当时的  科学家发现,水在4摄氏度时的密度最为  稳定。  

然而,以水为标准的质量既不方便  又不稳定,所以1889年千克被批准由一  块采用工业革命技术打造的铂铱合金圆  柱体来定义,其中铂含量为90%、铱含量  为10%,不仅稳定性强,还具有极强的抗  氧化性和抗化学腐蚀性。

和“大 K”同时制作的还有几十件复  制品。其中 6 个官方复制品与“大 K”保  存在同一个地下室,其余的则成为世界  各地不同国家的原器或质量基准,担负  着校正全球质量标准的任务。在第二次  世界大战前,拥有国际千克复制件曾是  一个国家的无上荣耀。  

1977 年,中国成为国际计量大会的  与会代表之一。后来就有了 60 号和 64  号两个“大K”复制品驻扎在计量科学研  究院北京昌平实验基地。它们每隔20年  都要回到巴黎,接受长达数月的严格检  查,以确定误差和稳定性。待它们返回  后,这样的校正传递会一直抵达基层,确  保国内称重仪器的准确和统一,比如各  个实验室的天平、工厂的货秤,再比如你  家里的体重秤。

相关链接

●国际单位制7个基本单位是什么  

国际单位制中7个基本单位包括质量的单位千克  (kg)、长度的单位米(m)、时间的单位秒(s)、电流的单位  安培(A)、温度的单位开尔文(K)、物质的量的单位摩尔  (mol)和发光强度的单位坎德拉(cd)。 ●这次修订以后将发生哪些变化  

千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)将拥  有新的定义。秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定义将保  持不变,但是它们的表达方式会有一定改变,以与千  克、安培、开尔文和摩尔新定义的表达方式相一致。  

●新定义生效后,用户是否需要将质量标准器重  

新送检  千克新定义生效后,用户可以和现在一样,将自己  的质量标准器送到国家计量院(NMI)或其他次级校准  实验室进行校准。然而,国家计量院将按照新定义对  千克进行复现,亦即国  家计量院链接到SI千克  的 溯 源 途 径 会 发 生 改  变。 (本报综合)



编辑:chenguo

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