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“国际千克原器”明年退休,基本计量单位迈向量子时代

点击数:6352018-11-17 21:28:08 来源: 科技日报

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,但修订后的基本单位,提高了SI的整体稳定性和实用性。 科技日报实习记者 陆成宽 这次真要改教科书了! 刚刚,正在法国凡尔赛召开的第26届国际计量大会通过了修订国际单位制(SI)的决议。国际单位制中的4个基本单位改由自然常数来定义,并于2019年国际计量日(5月20日)起正式生效。至此,国际单位制7个基本单位将全部由基本物理常数定义。 这4个基本单位分别是:质量单位千克、电流单位安培、物质的量单位摩尔以及温度单位开尔文。其中,千克采用普朗克常数定义,安培采用基本电荷量定义,摩尔采用阿佛加德罗常数定义,开尔文采用玻尔兹曼常数定义。 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,但修订后的基本单位,提高了SI的整体稳定性和实用性。 “国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”国际计量局局长马丁·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。” 决议的通过,预示着用实物基准定义测量单位的方法即将退出历史舞台。“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。” 在国际计量局物理计量所功率天平组工作的李世松博士在接受科技日报记者独家采访时表示。 基本单位的量子化虽然从表面上人们并不会看到太大的变化,但是它对高精尖科技的发展却至关重要。 1967年,时间单位秒采用基于原子跃迁的“原子秒”取代“天文秒”进行定义,这标志着国际单位体系从实物时代开始迈向量子时代。原子时诞生50年来,时间频率的测量准确度跃升1000万倍,成为目前测得最准的物理量。正是基于时间定义的量子化变革,实现了卫星导航定位,其精度更是达到了厘米级别,成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。 100多年变化50微克也不行 质量单位千克是目前唯一还在使用实物基准定义的基本单位,1千克质量的量值,是用保存在国际计量局的一个砝码——国际千克原器来确定的。 之所以用这个砝码来定义质量的单位千克,是因为在100多年前,计量学家发现,选用铂铱合金(90%铂+10%铱)制成的砝码的化学性质特别稳定。于是,1889年召开的第1届国际计量大会,决议采用铂铱合金砝码定义质量单位千克。 从1889年千克定义到今天,国际千克原器与6个同等材料制成、同等保存条件的国际千克原器复制品的量值比对试验共进行了4次。结果发现,100多年间,这6个千克原器复制品与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。 “这么微小的变化,虽然说现阶段还不足以影响人们的日常生活,但其长期积累的效应,无疑会影响国际计量制体系的稳定性,并且会对精密科学研究产生不良影响。” 这是因为7个基本单位的定义之间并不是彼此独立的,千克量值的不稳定性,还会影响SI其他基本单位的量值。比如,在基本单位定义中,电流单位安培的定义用到了导出单位牛顿,而牛顿这个单位中就包含质量单位千克。同时,摩尔的定义中也用到了千克。 与此同时,以前人们对实物基准,总担心因为天灾或人祸而损毁,而采用基本物理常数重新定义基本单位后,人们就无需考虑这个问题了。并且,在以前,当新的、更准确的计量技术出现时,可能会导致基本单位的定义要被修改。比如,质量单位千克在被定义为国际千克原器的质量之前,还曾被定义为4摄氏度下1立方分米水的质量。 “采用基本物理常数定义SI基本单位后,可以在相当长的时间内避免基本单位的定义被反复修改。而且未来随着相关技术的进步,只会不断提升单位量值复现的准确性,但不会轻易改变基本单位的定义。”李世松说。 中国参与国际单位制修订工作 那么,国际单位制修订这么重要的事,我国是否参与了呢? 答案是必须滴! 据介绍,本次涉及SI基本单位重新定义的基本物理常数有4个,但基于基本物理定律的联系,其中有三个,即普朗克常数、基本电荷量和阿伏伽德罗常数,准确测量确定其中之一,便能推导出其他两个的量值。因此,这次国际单位制修订中,仅需要准确测量定玻尔兹曼常数和普朗克常数(或阿佛加德罗常数)的量值。 李世松表示,在玻尔兹曼常数测量方面,近年来,我国计量科学研究院的两个团队采用两种独立的测量方案,对玻尔兹曼常数进行了精密测量。他们最近发表的两个测量结果的测量不确定度指标分别为2.0×10-6和2.7×10-6,其均已被国际科学数据委员会采用,这对此次国际单位制修订中确定玻尔兹曼常数的最终量值做出了重要贡献。 在对普朗克常数的准确测量方面,中国计量科学研究院主导,联合清华大学、哈尔滨工业大学等单位,发展出了一种在测量方法上具有特色的能量天平方案及试验装置,2017年发表的其测量结果的不确定度为2.4×10-7,离被此次国际上确定普朗克常数量值的准确性要求仅一步之遥。 此外,我国计量科学研究院与清华大学合作,还提出了一种具有原创性的普朗克常数精密测量方案,并研发出来相应的试验装置,其目前的测量不确定度指标也已初步达到10-6量级,且其测量准确性有望进一步提升。 来源:科技日报 文中图片除注明外均来自网络 编辑:朱丽 审核:王小龙
【责任编辑:王雪华
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