來源:經(jīng)濟(jì)日報(bào)

前不久，第26屆國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）經(jīng)包括我國在內(nèi)的53個(gè)成員表決，全票通過了關(guān)于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。至此，國際測量體系的7個(gè)基本單位有史以來第一次全部建立在不變的常數(shù)上，保證了SI的長期穩(wěn)定性和環(huán)宇通用性。不少專家表示，SI修訂是科學(xué)進(jìn)步的又一座里程碑。

1千克到底多重？不少人聽到這個(gè)問題時(shí)，可能會(huì)陷入迷茫，1千克不就是1公斤嗎？可問題又來了，1公斤又是多重呢？

其實(shí)，千克的定義能夠追溯到128年以前，科學(xué)家們將一個(gè)直徑與高度都為39毫米的鉑銥合金圓柱體作為1千克的標(biāo)準(zhǔn)重量，也就是所謂的“國際千克原器”（IPK）。她被保存在法國的國際計(jì)量局中。

而根據(jù)第26屆國際計(jì)量大會(huì)的最新決議，質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”4個(gè)國際單位制（SI）基本單位的定義將改由常數(shù)定義，于2021年5月20日起正式生效。

用不變的常數(shù)替代主觀

國際單位制（SI）是全球一致認(rèn)可的測量體系。她的起源可以追溯至1875年_17國簽署《米制公約》，并正式同意推行統(tǒng)一的國際測量體系。

SI由7個(gè)基本單位以及許多導(dǎo)出單位組成，這些基本單位除了“千克”“開爾文”“安培”“摩爾”外，還有“秒”“米”，以及發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”。SI必須確保所有日常使用的測量單位，在全球都是可比的、一致的。或許時(shí)間上相差零點(diǎn)幾秒鐘，不會(huì)影響烹調(diào)口感，但對于誰贏得了奧運(yùn)會(huì)的百米短跑冠軍，卻是尤為重要的。

“‘米制’在創(chuàng)立之初的愿景即是‘為全人類所用，在任何時(shí)代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘常數(shù)’而非某種主觀的標(biāo)準(zhǔn)來定義單位，這一點(diǎn)隨著SI的修訂真正成為現(xiàn)實(shí)。”國際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞·英格里斯說。

正如國際計(jì)量局局長馬丁·米爾頓在聲明中表示，此次SI的修訂，用基本常數(shù)作為人們認(rèn)識和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著我們在深化科學(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。盡管從表面而言，大多數(shù)人并不會(huì)看到太大變化。

“這好比你給房子換了更為堅(jiān)固的地基，從表面上看不出任何變化，但她其實(shí)使房子變得更耐久了。”馬丁·米爾頓說，“就像1967年用原子的特性修訂秒的定義一樣_修訂之初，人們并不知道她可以用在哪里，但現(xiàn)在，基于原子鐘的計(jì)時(shí)技術(shù)已成為互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)的基礎(chǔ)。新SI也是這樣，她將在未來對科學(xué)、貿(mào)易、健康等更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響”。

實(shí)物原器退出歷史舞臺(tái)

根據(jù)此次SI的修訂，4個(gè)基本單位中，千克將用普朗克常數(shù)（h）定義，安培將用電子電荷（e）定義，開爾文將用玻爾茲曼常數(shù)（k）定義，摩爾將用阿伏伽德羅常數(shù)（NA）定義。

我國計(jì)量科學(xué)研究院院長方向指出，新定義用自然界恒定不變的“常數(shù)”替代了實(shí)物原器，保障了SI的長期穩(wěn)定性；“定義常數(shù)”不受時(shí)空和人為因素的限制，保障了SI的客觀通用性；新定義可以在任意范圍復(fù)現(xiàn)，保障了SI的全范圍準(zhǔn)確性；新定義不受復(fù)現(xiàn)方法限制，保障了國際單位制的未來適用性。

起初，測量單位是基于實(shí)物或物質(zhì)的特性來定義的。但以實(shí)物作為基準(zhǔn)，總會(huì)遇到一個(gè)問題_這些實(shí)物會(huì)隨時(shí)間或環(huán)境改變而變化，不能滿足對測量準(zhǔn)確度的需求。

以用來定義千克的鉑銥合金圓柱體為例，“總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過程導(dǎo)致她的特性發(fā)生緩慢變化_因而，她所保存的量值也會(huì)有所改變。”我國工程院院士、我國計(jì)量院首席研究員張鐘華指出。另據(jù)國際計(jì)量局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，百年來，各國保存的質(zhì)量基準(zhǔn)與國際千克原器的一致性共發(fā)生了約0.05毫克的變化。

早在20世紀(jì)中葉，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，人類對各種物理量的測量準(zhǔn)確度得到了極大提高，時(shí)間、長度的SI單位先后經(jīng)歷了修訂。2005年，國際計(jì)量委員會(huì)起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)定義千克等，并鼓勵(lì)有能力的國家級實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究工作。

當(dāng)SI修訂生效，國際千克原器將成為千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實(shí)物原器將繼續(xù)完美保存，為新定義的相關(guān)研究和國際比對發(fā)揮“余熱”。

“用基本物理常數(shù)普朗克常數(shù)h重新定義千克后，質(zhì)量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮IPK質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必?fù)?dān)心IPK丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的災(zāi)難。”我國計(jì)量院研究員李正坤說。

我國計(jì)量邁入量子化時(shí)代

那么，國際單位制變革將如何影響我們的生活？“重新定義將催生新的測量原理、測量方法和測量儀器。譬如，集多參量、高精度為一體的芯片級綜合測量，不受環(huán)境干擾無需校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)測量，眾多物理量、化學(xué)量和生物量的極限測量等將成為可能，測量儀器儀表形態(tài)也將全面創(chuàng)新。”市場監(jiān)管總局計(jì)量司司長謝軍說。

謝軍告訴發(fā)文人，1號決議實(shí)施后，通過嵌入芯片級量子計(jì)量基準(zhǔn)，將能夠使最高測量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品制造全過程更準(zhǔn)確穩(wěn)定地感知和最佳控制，有力支撐流程再造、節(jié)能減排和質(zhì)量提升等，助推當(dāng)前世界范圍內(nèi)正在進(jìn)行的新一輪以信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能為特征的科技革命發(fā)展。

我國獲得國際互認(rèn)的校準(zhǔn)和測量能力已躍居全球第三、亞洲第一。在這次國際計(jì)量單位制重大變革中，作為國家計(jì)量院的我國計(jì)量科學(xué)研究院就利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得了玻爾茲曼常數(shù)，為基本單位“開爾文”的修訂作出了重要貢獻(xiàn)。

國際計(jì)量局官方聲明顯示，在千克重新定義后，國際計(jì)量局將繼續(xù)開展關(guān)于千克復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”，各成員國應(yīng)據(jù)此開展量值傳遞。目前，我國計(jì)量院已獨(dú)立建立了基于新定義的千克復(fù)現(xiàn)裝置，并成功研制了真空質(zhì)量測量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞裝置，其不確定度將達(dá)到與“共識值”相當(dāng)?shù)乃剑员Ｕ衔磥砦覈|(zhì)量量值與國際等效一致。

謝軍表示，我國計(jì)量界將緊緊抓住這次變革帶來的歷史性機(jī)遇，加強(qiáng)面向國家戰(zhàn)略需求的計(jì)量基礎(chǔ)研究、前沿性研究，制定量子化時(shí)代的我國計(jì)量發(fā)展新規(guī)劃（2021年-2035年），加快構(gòu)建國家現(xiàn)代先進(jìn)測量體系。

至于最先落地的，應(yīng)該是教科書。方向說，這需要重構(gòu)物理、化學(xué)相關(guān)科學(xué)知識體系。“新的國際單位制比原有的要更加抽象，我們基本上可以采用一個(gè)新的坐標(biāo)系來闡述整個(gè)世界。這不僅向每個(gè)學(xué)生提出挑戰(zhàn)，更是對每位老師教學(xué)方法的挑戰(zhàn)。”方向說。（發(fā)文人 郭靜原）