“千克”“秒”“米”等国际单位制启用常数定义替代实物原器
为啥重新定义基本单位
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研究人员正在调试能量天平试验装置。
中国计量科学研究院供图
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本报记者 李心萍
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5月20日，第二十个世界计量日，新修订的国际单位制体系正式生效。“秒”“米”“千克”“安培”“开尔文”“摩尔”“坎德拉”将全部以常数定义，全新的测量体系正式启用。基本单位不再与实物关联，计量精准度的跃迁更将开启无限可能，带来新的认知和机遇、催生新的技术和产业。
5月20日，全球将采用新的国际单位制，“千克”“秒”“米”等7个基本单位全部从实物原器改为常数定义，这是国际单位制自1963年创立以来最重大的变革。其中，全球砝码量值的源头——国际千克原器大K也随之正式卸任。根据新定义，“掌管”千克的是一个以普朗克常数为基础的公式。
公式为虚，质量为实，由虚到实，如何复现公式定义的1千克呢？记者探访了中国计量科学研究院。
国际上主要采用功率天平、能量天平、压力天平等装置复现千克
走进实验室，一个像太空舱一样的三层大钟罩便映入眼帘。“未来，我国千克的复现将通过这个装置完成。”中国计量科学研究院电学量子基准实验室主任李正坤说，目前国际上主要采用功率天平、能量天平、压力天平等试验装置来复现千克，我国选用的是能量天平方案。
李正坤介绍，钟罩外观是为了提供真空的测量环境。钟罩内，置入水平径向磁场的悬挂线圈通过后将产生电磁力，稳稳托起被称砝码，使得测力传感器读数保持不变。“这样，我们就建立起机械量与电学量之间的关系，计算出电磁力，即可推导出砝码的质量。”李正坤说。
听起来似乎并不难？李正坤却说，电磁力的测量也不简单。从2007年开启研究，团队花费了大量精力，才成功研制出一套互感精密测量系统，将互感量溯源到量子化霍尔电阻和时间标准。
体现在实物上，大钟罩边上整齐排列着4个机柜，每个柜子内放着各种仪器。电磁力的计算涉及多个电学量的测量，需要多种测量仪器，有些可以使用商用仪器，有些用于信号控制、滤波、线圈位置和姿态锁定等功能的仪器只能自行研发。
据介绍，今年9月，国际计量局将组织一次国际比对，看看哪个国家将千克复现得更准。比对时将把各国的测量结果进行加权平均，哪个国家的测量值离平均值更近，就意味着复现能力更强。权重则依据各国装置的测量稳定性确定，稳定性越高、误差越小，权重就越大。
“从现在起到9月，是我们对设备的调校期，希望参加比对时，我国能量天平装置的误差能缩小至10－8量级。” 李正坤说，这就好比世界一级方程式锦标赛，各个车队所采用的发动机、车体材料、车体形状等基本相同，比拼的是对车辆的调校能力，谁能将性能调到最优，谁获胜的可能性就越大。
为了降低能量天平的测量不稳定性，研究团队尽力把每个因素都考虑到位。为装置设置防震沟，以防微小振动对测量结果产生影响；钟罩框架采用大理石加工而成，千年形成的花岗岩结构稳定，既结实又不会产生放射性物质，构建实验环境最为理想；采用永磁体代替电磁体产生磁场，以防发电线圈发热导致测量环境温度升高，测量结果产生偏差……
能量天平方案是我国独创的方案，我国也是世界上唯一采用能量天平方案的国家。与主流功率天平方案相比，能量天平整个测量过程都是静态的，避免了功率天平的动态测量问题。
以实物为基准的量值已不能适应精密测量的需要
以前，我们将国家的千克原器送到位于法国的国际计量局和大K比对，回国后再根据比对结果对国内的千克原器进行修正。举个例子，1963年我国有了第一颗国家千克原器，此时它与大K质量相等，同为1千克。假设，40年后，2003年，将我国国家千克原器与大K比对时发现我国国家千克原器比大K重了0.00001千克，则原本我国记录的1千克物品质量都须变为1.00001千克。
现在，能量天平装置可以准确测出所有砝码的质量，通过砝码，即可衡量所有物品的质量。而不拥有千克复现能力的国家，只能委托其他国家进行测量，容易处于被动状态。
“这将节约大量的成本。以前，每隔一段时间，我国国家千克原器就得前往国际计量局进行比对，为防止发生空难导致国家千克原器受损，我国的两颗国家千克原器还须乘坐不同的航班前往法国，成本高昂。现在，国际计量局只需8—10年举行一次国际比对即可。”李正坤说。
新的国际单位制还将让我们对自然界有新的认识，带来新的机遇，从而催生新的产业。100多年来，科学家之所以探索国际单位制的变革，是因为以实物为基准向世界传递量值，已经越来越不适应精密测量的需要。
“虽然对普通大众而言，生活中的1千克没有改变。但需要精确质量测量的大气污染测量和制药领域，将迎来新的机遇。”中国计量科学研究院院长方向说。
方向表示，我们对不可预期的未来还应持开放态度。
回顾过去，1967年科学家用铯原子的基态能级跃迁重新定义了秒，由天文秒改为原子秒，这才有了后来的卫星导航系统。作为第一个跨进量子大门的国际单位制，秒是准确度最高、稳定性最好、应用最广泛的基本单位，也造就了米的定义——光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。
“这些都是在短短的30年内发生的，我们有理由对新单位制下的未来充满期待。”方向说。
新单位制让生产一线上的仪器和量具就可以复现最高基准
统计数据显示，世界上72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生物学或医学奖的成果都是借助于相关尖端仪器完成的。而仪器的稳定性、可靠性又与计量息息相关。
就以最基础的时间为例，目前全球统一使用的世界时间是协调世界时。而协调世界时又是依据全球主要国家守时钟数据加权平均，并经过闰秒调整得出的。守时钟又依赖于各个国家的国家时间频率基准。国家时间频率基准又取决于一个国家对秒的复现能力，哪个国家的铯原子钟更稳，优势就更大。目前，我国使用的铯原子钟，可以做到走3000万年不差1秒，正在研制的新一代铯原子钟有望实现1万亿年不差1秒。而这一能力，将直接影响北斗系统的竞争力。
方向说，新的国际单位制启用后，基本单位的定义和复现方法分离，即使以后出现新技术，不必修改定义就可以做到复现的变革。其次，不依赖实物基准后，量值的传递实现了扁平化，最高基准可以直接传递到用户，中间环节传递的误差损失变得很小且非常经济。
“有了新的单位制，生产一线上的仪器和量具就可以复现最高基准，这对于我们重新梳理和构建测量手段、测量能力，研究新的测量技术，进而提升我国的产品质量，大有好处。” 哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长谭久彬认为，过去我国在测量能力上的短板不用再一点点补齐，而是可以利用好扁平化的优势，尽快建立我国新的测量体系。“发达国家也有重建、改建测量体系的过程，如果我们抓好这次机遇，将极大地缩短追赶距离，甚至在很多方面能实现赶超。”
清华大学副校长尤政也表示：“中国的工业革命时间比较短，尽管我们一直奋力追赶，但是与发达国家的长期积累相比还是差距较大。国际单位制实现量子化后，可以说他们之前的基础技术优势好比‘清零’了，新的测量技术将应运而生，大家又重新回到了同一条起跑线上。”
《 人民日报 》（ 2019年05月21日 12 版）
