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百余岁“大K”卸重任 国际计量单位重定义

来源:未知   作者:崇安新闻网  人气:  发布时间:2019-05-26 12:23

  5月20日,第20个“世界计量日”。从这一天起,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”等4个国际计量基本单位的定义全部改由物理常数定义。

  为纪念这一里程碑式变革,国际计量组织将今年的“世界计量日”主题定为“国际单位制——根本性飞跃”。

  “一个更坚固的地基”

  2018年11月16日召开的第26届国际计量大会上,53个成员国集体表决,全票通过了关于“修订国际单位制”的1号决议。

  正是根据这一决议,上述“千克”等四个国际计量基本单位从5月20日获得了重新定义。

  加上此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义,至此,国际单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。

  这是国际单位制自1960年创立以来最重大的变革,标志着其定义不再与实物关联,而是根据定义复现单位量值。

  国际单位制是全球一致认可的测量体系。其起源可以追溯至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。1960年,该体系正式被命名为国际单位制,缩写为SI。

  国际单位制规定的7个基本单位,好比7块彼此独立又相互支持的“基石”。国际单位制规定的其他单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特等,都可以通过7个基本单位导出。

  新的定义用自然界恒定不变的“常数”替代了实物原器,光速等以量子物理为基础的自然常数走上前台,保障了国际单位制的长期稳定性;

  “定义常数”不受时空和人为因素的限制,保障了国际单位制的客观通用性;

  新定义可在任意范围复现,保障了国际单位制的全范围准确性。

  国际计量局局长马丁·米尔顿在公开发表的声明中表示,此次国际单位制的修订,意味着深化科学认知、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。

  “这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了”,米尔顿说。

  “不变”的“巨变”

  7个基本单位全部改由物理常数定义,可谓“不变”的“巨变”。

  对于绝大多数人来说,计量基准的改变,不会对自己的日常生活产生直接的影响,除电学单位外,新定义下各个单位大小和旧定义几乎完全一致,电学单位的改变事实上也微乎其微。

  人们日常接触的测量活动没有明显区别,从超市电子秤到工业大尺寸坐标测量机,定义修订前后,测量的数值并不会发生变化。

  但是,在更加细微而深刻的地方,国际基本单位的“巨变”可能对人类当下乃至未来的发展产生难以估量的巨大影响。

  1967年,时间基准率先完成量子化变革,以铯-133原子超精细能级跃迁频率来定义秒。重新定义后的秒,比以前的测量精度提升了上千万倍,相当于从数年误差一秒精确至数千万年误差一秒。

  1983年,第17届国际计量大会上引入了光速常数,并利用了已经完成量子化定义的“秒”,重新定义了“米”。

  此后,高精度的时间计量被广泛应用到人类生产生活的各个领域,如卫星导航、通信、电力、交通、金融等行业,成就了数万亿美元的定位和服务市场。

  现在人们日常用的地图导航、打车软件、共享单车等,从某种意义上讲都是“秒”重新定义带来的成果。

  正因为有了“原子秒”,采用5G技术的通信基站之间的时间同步水平达到100纳秒,甚至有望达到几十纳秒,从而使得一部电影的下载时间从几天缩短到几十秒、几秒。

  类似的,在“米”以光速定义后,测量精度提高了万倍以上,实现了从原子尺度到宇宙尺度的全范围、高准确测量,由此诞生了激光测长技术,推动了纳米科技和精密制造的快速发展,也为深空探测奠定了精密时空测量基础。

  随着国际计量基本单位在全面“去实物化”标准后精度与稳定性的大幅提升,可能催生一大批革命性的新技术,从而带来产业的跨越式发展。

  “大K”的故事

  作为最后一个退出历史舞台的实物基准,曾在过去100多年中为全球定义“千克”单位的“大K”的故事,正是人类在计量精确化之路上不断进步的缩影。

  “大K”是“国际千克原器”的昵称。它是一块含90%铂、10%铱的铂铱合金圆柱体,高度和直径均为39.17毫米。

  从 1889 年起,它一直被收藏在位于法国巴黎的国际计量局地下室中,这所地下室上方,是塞纳河畔的一所17世纪皇家狩猎园林。

  1799年,法国科学家提出了“千克”最初的定义,即1立方分米纯水在最大密度(温度约为4摄氏度)时的质量定为1千克。

  随着研究的深入,科学家发现原来的“千克”原器基准并不准确。

  1878年,国际计量局制造了3个千克原器的复制品,为含90%铂和10%铱的铂铱合金圆柱体。

  在1889年的第一届国际计量大会上,其中的一个千克原器被规定为国际千克原器基准,并存放于国际计量局——这就是“大K”。

  为防范污染,“大K”以三层钟形玻璃罩真空密封。每过40年取出一次,接受清洗和检查,迄今“面世”4次。

  以“大K”为对照标准,人们还制造了同原器保存在完全相同环境里的6个“千克”原器副本,日常的校准使用的10个工作副本和分散在全球不同国家与地区的40个国家原型副本。

  每过40年,“大K”会和6个原器副本进行比照对证,40个国家原型副本则被定期送回国际度量局加以核对。

  尽管小心翼翼,“大K”与各副本之间的质量一致性还是发生了细微变化。据国际计量局数据显示,百年来各国保存的质量基准与“大K”的一致性发生了约0.05毫克的变化。

  更麻烦的是,目前尚难以探明其中原因,不清楚到底是“大K”质量单独发生了变化还是“大K”与其他副本的质量同时发生了变化。

  由于“大K”无法继续承担“完美的千克”基准的“重任”,科学家提出以量子力学中的普朗克常数为基准重新定义质量单位,让质量基本单位更加稳定、更适合传递、更加可靠,且适用于任何地点、任何时间。

  尽管如今百余岁的“大K”已“卸下重担”,但它仍将以现有方式保存。科学界将在今后数十年观察它随着周围环境改变而发生的重量变化,让它继续为人类的科学事业做出贡献。

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