“千克”“秒”“米”等國際單位制啟用常數定義替代實物原器

為啥重新定義基本單位

本報記者  李心萍

2019年05月21日06:22  來源:人民網-人民日報
 

  研究人員正在調試能量天平試驗裝置。
  中國計量科學研究院供圖

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  5月20日,第二十個世界計量日,新修訂的國際單位制體系正式生效。“秒”“米”“千克”“安培”“開爾文”“摩爾”“坎德拉”將全部以常數定義,全新的測量體系正式啟用。基本單位不再與實物關聯,計量精准度的躍遷更將開啟無限可能,帶來新的認知和機遇、催生新的技術和產業。

  

  5月20日,全球將採用新的國際單位制,“千克”“秒”“米”等7個基本單位全部從實物原器改為常數定義,這是國際單位制自1963年創立以來最重大的變革。其中,全球砝碼量值的源頭——國際千克原器大K也隨之正式卸任。根據新定義,“掌管”千克的是一個以普朗克常數為基礎的公式。

  公式為虛,質量為實,由虛到實,如何復現公式定義的1千克呢?記者探訪了中國計量科學研究院。

  國際上主要採用功率天平、能量天平、壓力天平等裝置復現千克

  走進實驗室,一個像太空艙一樣的三層大鐘罩便映入眼帘。“未來,我國千克的復現將通過這個裝置完成。”中國計量科學研究院電學量子基准實驗室主任李正坤說,目前國際上主要採用功率天平、能量天平、壓力天平等試驗裝置來復現千克,我國選用的是能量天平方案。

  李正坤介紹,鐘罩外觀是為了提供真空的測量環境。鐘罩內,置入水平徑向磁場的懸挂線圈通過后將產生電磁力,穩穩托起被稱砝碼,使得測力傳感器讀數保持不變。“這樣,我們就建立起機械量與電學量之間的關系,計算出電磁力,即可推導出砝碼的質量。”李正坤說。

  聽起來似乎並不難?李正坤卻說,電磁力的測量也不簡單。從2007年開啟研究,團隊花費了大量精力,才成功研制出一套互感精密測量系統,將互感量溯源到量子化霍爾電阻和時間標准。

  體現在實物上,大鐘罩邊上整齊排列著4個機櫃,每個櫃子內放著各種儀器。電磁力的計算涉及多個電學量的測量,需要多種測量儀器,有些可以使用商用儀器,有些用於信號控制、濾波、線圈位置和姿態鎖定等功能的儀器隻能自行研發。

  據介紹,今年9月,國際計量局將組織一次國際比對,看看哪個國家將千克復現得更准。比對時將把各國的測量結果進行加權平均,哪個國家的測量值離平均值更近,就意味著復現能力更強。權重則依據各國裝置的測量穩定性確定,穩定性越高、誤差越小,權重就越大。

  “從現在起到9月,是我們對設備的調校期,希望參加比對時,我國能量天平裝置的誤差能縮小至10-8量級。” 李正坤說,這就好比世界一級方程式錦標賽,各個車隊所採用的發動機、車體材料、車體形狀等基本相同,比拼的是對車輛的調校能力,誰能將性能調到最優,誰獲勝的可能性就越大。

  為了降低能量天平的測量不穩定性,研究團隊盡力把每個因素都考慮到位。為裝置設置防震溝,以防微小振動對測量結果產生影響﹔鐘罩框架採用大理石加工而成,千年形成的花崗岩結構穩定,既結實又不會產生放射性物質,構建實驗環境最為理想﹔採用永磁體代替電磁體產生磁場,以防發電線圈發熱導致測量環境溫度升高,測量結果產生偏差……

  能量天平方案是我國獨創的方案,我國也是世界上唯一採用能量天平方案的國家。與主流功率天平方案相比,能量天平整個測量過程都是靜態的,避免了功率天平的動態測量問題。

  以實物為基准的量值已不能適應精密測量的需要

  以前,我們將國家的千克原器送到位於法國的國際計量局和大K比對,回國后再根據比對結果對國內的千克原器進行修正。舉個例子,1963年我國有了第一顆國家千克原器,此時它與大K質量相等,同為1千克。假設,40年后,2003年,將我國國家千克原器與大K比對時發現我國國家千克原器比大K重了0.00001千克,則原本我國記錄的1千克物品質量都須變為1.00001千克。

  現在,能量天平裝置可以准確測出所有砝碼的質量,通過砝碼,即可衡量所有物品的質量。而不擁有千克復現能力的國家,隻能委托其他國家進行測量,容易處於被動狀態。

  “這將節約大量的成本。以前,每隔一段時間,我國國家千克原器就得前往國際計量局進行比對,為防止發生空難導致國家千克原器受損,我國的兩顆國家千克原器還須乘坐不同的航班前往法國,成本高昂。現在,國際計量局隻需8—10年舉行一次國際比對即可。”李正坤說。

  新的國際單位制還將讓我們對自然界有新的認識,帶來新的機遇,從而催生新的產業。100多年來,科學家之所以探索國際單位制的變革,是因為以實物為基准向世界傳遞量值,已經越來越不適應精密測量的需要。

  “雖然對普通大眾而言,生活中的1千克沒有改變。但需要精確質量測量的大氣污染測量和制藥領域,將迎來新的機遇。”中國計量科學研究院院長方向說。

  方向表示,我們對不可預期的未來還應持開放態度。

  回顧過去,1967年科學家用銫原子的基態能級躍遷重新定義了秒,由天文秒改為原子秒,這才有了后來的衛星導航系統。作為第一個跨進量子大門的國際單位制,秒是准確度最高、穩定性最好、應用最廣泛的基本單位,也造就了米的定義——光在真空中於1/299792458秒內行進的距離。

  “這些都是在短短的30年內發生的,我們有理由對新單位制下的未來充滿期待。”方向說。

  新單位制讓生產一線上的儀器和量具就可以復現最高基准

  統計數據顯示,世界上72%的物理學獎、81%的化學獎、95%的生物學或醫學獎的成果都是借助於相關尖端儀器完成的。而儀器的穩定性、可靠性又與計量息息相關。

  就以最基礎的時間為例,目前全球統一使用的世界時間是協調世界時。而協調世界時又是依據全球主要國家守時鐘數據加權平均,並經過閏秒調整得出的。守時鐘又依賴於各個國家的國家時間頻率基准。國家時間頻率基准又取決於一個國家對秒的復現能力,哪個國家的銫原子鐘更穩,優勢就更大。目前,我國使用的銫原子鐘,可以做到走3000萬年不差1秒,正在研制的新一代銫原子鐘有望實現1萬億年不差1秒。而這一能力,將直接影響北斗系統的競爭力。

  方向說,新的國際單位制啟用后,基本單位的定義和復現方法分離,即使以后出現新技術,不必修改定義就可以做到復現的變革。其次,不依賴實物基准后,量值的傳遞實現了扁平化,最高基准可以直接傳遞到用戶,中間環節傳遞的誤差損失變得很小且非常經濟。

  “有了新的單位制,生產一線上的儀器和量具就可以復現最高基准,這對於我們重新梳理和構建測量手段、測量能力,研究新的測量技術,進而提升我國的產品質量,大有好處。” 哈爾濱工業大學精密儀器工程研究院院長譚久彬認為,過去我國在測量能力上的短板不用再一點點補齊,而是可以利用好扁平化的優勢,盡快建立我國新的測量體系。“發達國家也有重建、改建測量體系的過程,如果我們抓好這次機遇,將極大地縮短追趕距離,甚至在很多方面能實現趕超。”

  清華大學副校長尤政也表示:“中國的工業革命時間比較短,盡管我們一直奮力追趕,但是與發達國家的長期積累相比還是差距較大。國際單位制實現量子化后,可以說他們之前的基礎技術優勢好比‘清零’了,新的測量技術將應運而生,大家又重新回到了同一條起跑線上。”


  《 人民日報 》( 2019年05月21日 12 版)

(責編:白宇、丁濤)

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