国际单位制迎来历史性变革 “千克”到底多重将有新定义

 　前不久，第26届国际计量大会（CGPM）经包括中国在内的53个成员表决，全票通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议。至此，国际测量体系的7个基本单位有史以来第一次全部建立在不变的常数上，保证了SI的长期稳定性和环宇通用性。不少专家表示，SI修订是科学进步的又一座里程碑

　　1千克到底多重？不少人听到这个问题时，可能会陷入迷茫，1千克不就是1公斤吗？可问题又来了，1公斤又是多重呢？

　　其实，千克的定义能够追溯到128年以前，科学家们将一个直径与高度都为39毫米的铂铱合金圆柱体作为1千克的标准重量，也就是所谓的“国际千克原器”（IPK）。它被保存在法国的国际计量局中。

　　而根据第26届国际计量大会的最新决议，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”4个国际单位制（SI）基本单位的定义将改由常数定义，于2019年5月20日起正式生效。

　　用不变的常数替代主观

　　国际单位制（SI）是全球一致认可的测量体系。它的起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》，并正式同意推行统一的国际测量体系。

　　SI由7个基本单位以及许多导出单位组成，这些基本单位除了“千克”“开尔文”“安培”“摩尔”外，还有“秒”“米”，以及发光强度单位“坎德拉”。SI必须确保所有日常使用的测量单位，在全球都是可比的、一致的。或许时间上相差零点几秒钟，不会影响烹调口感，但对于谁赢得了奥运会的百米短跑冠军，却是尤为重要的。

　　“‘米制’在创立之初的愿景即是‘为全人类所用，在任何时代适用’。其初衷是用一种全球一致的‘常数’而非某种主观的标准来定义单位，这一点随着SI的修订真正成为现实。”国际计量委员会主席白瑞·英格里斯说。

　　正如国际计量局局长马丁·米尔顿在声明中表示，此次SI的修订，用基本常数作为人们认识和定义质量、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。尽管从表面而言，大多数人并不会看到太大变化。

　　“这好比你给房子换了更为坚固的地基，从表面上看不出任何变化，但它其实使房子变得更耐久了。”马丁·米尔顿说，“就像1967年用原子的特性修订秒的定义一样——修订之初，人们并不知道它可以用在哪里，但现在，基于原子钟的计时技术已成为互联网、移动通信和卫星导航等技术的基础。新SI也是这样，它将在未来对科学、贸易、健康等更多领域产生深远影响”。

　　实物原器退出历史舞台

　　根据此次SI的修订，4个基本单位中，千克将用普朗克常数（h）定义，安培将用电子电荷（e）定义，开尔文将用玻尔兹曼常数（k）定义，摩尔将用阿伏伽德罗常数（NA）定义。

　　中国计量科学研究院院长方向指出，新定义用自然界恒定不变的“常数”替代了实物原器，保障了SI的长期稳定性；“定义常数”不受时空和人为因素的限制，保障了SI的客观通用性；新定义可以在任意范围复现，保障了SI的全范围准确性；新定义不受复现方法限制，保障了国际单位制的未来适用性。

　　起初，测量单位是基于实物或物质的特性来定义的。但以实物作为基准，总会遇到一个问题：这些实物会随时间或环境改变而变化，不能满足对测量准确度的需求。

　　以用来定义千克的铂铱合金圆柱体为例，“总会有一些不易控制的物理、化学过程导致它的特性发生缓慢变化——因而，它所保存的量值也会有所改变。”中国工程院院士、中国计量院首席研究员张钟华指出。另据国际计量局数据显示，百年来，各国保存的质量基准与国际千克原器的一致性共发生了约0.05毫克的变化。

　　早在20世纪中叶，随着量子技术的发展，人类对各种物理量的测量准确度得到了极大提高，时间、长度的SI单位先后经历了修订。2005年，国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数重新定义部分SI基本单位的框架草案，建议采用普朗克常数定义千克等，并鼓励有能力的国家级实验室开展相关研究工作。

　　当SI修订生效，国际千克原器将成为千克定义的历史。这件为世界科技服役近130年的实物原器将继续完美保存，为新定义的相关研究和国际比对发挥“余热”。

　　“用基本物理常数普朗克常数h重新定义千克后，质量基本单位更加稳定，量值传递更加可靠，我们不必再考虑IPK质量是否发生变化，更不必担心IPK丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的灾难。”中国计量院研究员李正坤说。

　　中国计量迈入量子化时代

　　那么，国际单位制变革将如何影响我们的生活？“重新定义将催生新的测量原理、测量方法和测量仪器。譬如，集多参量、高精度为一体的芯片级综合测量，不受环境干扰无需校准的实时测量，众多物理量、化学量和生物量的极限测量等将成为可能，测量仪器仪表形态也将全面创新。”市场监管总局计量司司长谢军说。

　　谢军告诉记者，1号决议实施后，通过嵌入芯片级量子计量基准，将能够使最高测量精度直接赋予制造设备并保持长期稳定，从而实现对产品制造全过程更准确稳定地感知和最佳控制，有力支撑流程再造、节能减排和质量提升等，助推当前世界范围内正在进行的新一轮以信息技术、大数据和人工智能为特征的科技革命发展。

　　我国获得国际互认的校准和测量能力已跃居全球第三、亚洲第一。在这次国际计量单位制重大变革中，作为国家计量院的中国计量科学研究院就利用声学法和噪声法两种方法测得了玻尔兹曼常数，为基本单位“开尔文”的修订作出了重要贡献。

　　国际计量局官方声明显示，在千克重新定义后，国际计量局将继续开展关于千克复现基准方法的国际比对，并得出千克的国际“共识值”，各成员国应据此开展量值传递。目前，中国计量院已独立建立了基于新定义的千克复现装置，并成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置，其不确定度将达到与“共识值”相当的水平，以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

　　谢军表示，中国计量界将紧紧抓住这次变革带来的历史性机遇，加强面向国家战略需求的计量基础研究、前沿性研究，制定量子化时代的中国计量发展新规划（2020年-2035年），加快构建国家现代先进测量体系。

　　至于最先落地的，应该是教科书。方向说，这需要重构物理、化学相关科学知识体系。“新的国际单位制比原有的要更加抽象，我们基本上可以采用一个新的坐标系来阐述整个世界。这不仅向每个学生提出挑战，更是对每位老师教学方法的挑战。”方向说。经济日报·中国经济网记者 郭静原