今年剛過去不久的“5·20”不僅是現(xiàn)代版情人節(jié)，一個(gè)影響全世界的變化也就此開始——新修訂的國(guó)際單位制(SI)在第20個(gè)世界計(jì)量日正式啟用。“秒”“米”“千克”等7個(gè)基本單位的定義標(biāo)準(zhǔn)將從原本的實(shí)物原器變?yōu)橛沙?shù)定義。

原本好好的標(biāo)準(zhǔn)為何要改變?這樣的改變將給全球帶來怎樣的影響?為了這樣一個(gè)改變，世界各地的科學(xué)家又做出了怎樣的貢獻(xiàn)?

國(guó)際計(jì)量委員會(huì)副主席約阿希姆·烏爾里希曾公開表示，新定義生效后，千克可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)現(xiàn)，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等。

但變化并不僅限于此。“SI重新定義，意味著所有SI單位將由描述客觀世界的常數(shù)定義。重新定義開啟了任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)、任意主體根據(jù)定義實(shí)現(xiàn)單位量值的大門，對(duì)經(jīng)濟(jì)、科技與民生等都將產(chǎn)生深刻影響。”湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院副院長(zhǎng)湯雄在文章中指出。

然而，為了讓1千克成為更準(zhǔn)確的1千克，確定標(biāo)準(zhǔn)后，研究者為了找到合適的操作方法，還有不少工作要做。

極致“強(qiáng)迫癥”

2018年11月，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)在法國(guó)凡爾賽舉行。此次大會(huì)正式通過了經(jīng)53個(gè)成員國(guó)表決的關(guān)于修訂SI的1號(hào)決議。即SI基本單位中的4個(gè)單位——質(zhì)量單位千克、電流單位安培、溫度單位開爾文、物質(zhì)的量單位摩爾分別由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿佛加德羅常數(shù)NA定義。

加上長(zhǎng)度單位米、時(shí)間單位秒和光照強(qiáng)度單位坎德拉，至此國(guó)際單位制的7個(gè)基本單位全部由物理常數(shù)定義。這一改變的實(shí)現(xiàn)其實(shí)是全世界研究者共同努力的結(jié)果。

梳理歷屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)的主題可以發(fā)現(xiàn)，世界各國(guó)的計(jì)量學(xué)研究者可謂是一群有著極致“強(qiáng)迫癥”的人。從幾百年前開始，這群人就開始琢磨怎樣縮小單位標(biāo)準(zhǔn)的不確定性。從1889年首屆CGPM開始，從最基本的米、千克起，到逐步擴(kuò)大基本單位數(shù)量，再到將每一種定義升級(jí)到更精確的水平……一套嚴(yán)密、完整的單位制隨著人類的科學(xué)、貿(mào)易進(jìn)步而誕生。

以質(zhì)量單位千克為例，18世紀(jì)時(shí)，人們對(duì)1千克的定義是4攝氏度時(shí)1立方分米水的質(zhì)量。到了1889年，一塊由鉑銥合金制成的圓柱塊成了人們衡量千克的標(biāo)準(zhǔn)。這一被稱為千克原器的圓柱體直徑和高度約為39毫米，服役時(shí)間長(zhǎng)達(dá)130年。大部分時(shí)間里，千克原器靜靜躺在法國(guó)塞夫勒布勒特伊宮地下的保險(xiǎn)箱中。國(guó)際計(jì)量局會(huì)據(jù)此復(fù)制出同樣尺寸的砝碼，分發(fā)給成員國(guó)作為國(guó)家基準(zhǔn)。

但在此期間，由于使用中形成的磨損、緩慢吸附在物體上的氣體等原因，人們意識(shí)到原器和復(fù)制品之間存在質(zhì)量值偏差。經(jīng)過1889年、1946年和1989年的3次校準(zhǔn)，各國(guó)基準(zhǔn)與原器本身的差值浮動(dòng)范圍平均在0.05毫克，千克原器的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑。更重要的是，千克原器作為一個(gè)實(shí)體，一旦丟失，整個(gè)世界將陷入混亂。

其實(shí)在千克之前，世界各國(guó)的研究者已經(jīng)就某些單位的重新定義達(dá)成了一致。比如1983年，第17屆CGPM重新定義了1米有多長(zhǎng)：光在真空中行進(jìn)1/299792458秒的距離。在更早的1967年，1秒的定義就已進(jìn)入原子時(shí)代：銫原子中電子能級(jí)躍遷周期的9192631770倍就是1秒鐘。

2005年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)定義部分SI基本單位的框架草案，鼓勵(lì)有能力的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究。其中千克將通過基本恒定的普朗克常數(shù)定義，這意味著質(zhì)量基本單位的不確定性會(huì)進(jìn)一步縮小。

不過，實(shí)現(xiàn)這一步，還有一些條件需要滿足。

世界五大挑戰(zhàn)之一

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員王健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，千克的重新定義工作可分為兩大部分：量值復(fù)現(xiàn)和量值傳遞。前一個(gè)部分就包括測(cè)量普朗克常數(shù)。

以物理常數(shù)為基準(zhǔn)定義1千克有多重，首先要確定其準(zhǔn)確度。因此首先應(yīng)對(duì)普朗克常數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。這一工作可謂是計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的一大險(xiǎn)峰，曾在2012年被《自然》雜志評(píng)選為世界五大最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，與探索外星生命和捕捉引力波齊名。有了精確測(cè)量的普朗克常數(shù)后，不僅是千克的定義，摩爾、安培等基本單位所依照的常數(shù)也可以確定下來。

對(duì)此，世界各國(guó)的科學(xué)家有機(jī)會(huì)一展身手。獲得廣泛認(rèn)可的方法之一是通過功率天平測(cè)定普朗克常數(shù)，原理是將對(duì)質(zhì)量的測(cè)量等價(jià)為對(duì)電磁力的測(cè)量。該方法1975年由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室基布爾博士提出，因而功率天平又稱基布爾天平。之后，美國(guó)、瑞士、法國(guó)、加拿大等國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)紛紛展開攻關(guān)，力求提升測(cè)量準(zhǔn)確性。2017年，美國(guó)國(guó)家計(jì)量院宣布用第四代功率天平測(cè)定的結(jié)果不確定度為1.3×10-8，準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。

2006年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量學(xué)專家、中國(guó)工程院院士張鐘華等人提出了名為“能量天平”的新方案。原理是基于電磁能量和機(jī)械勢(shì)能平衡，測(cè)量結(jié)果與天平中線圈的靜態(tài)位置相關(guān)，線圈運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的誤差可被消除。2017年，在中國(guó)向國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)委員會(huì)基本物理常數(shù)任務(wù)組提交的測(cè)量結(jié)果中，不確定度為2.4×10-7。未來，這一準(zhǔn)確性還會(huì)隨著方案的優(yōu)化進(jìn)一步提升。

從舊到新

量值復(fù)現(xiàn)工作基本完成后，還需要考慮量值傳遞的問題。王健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，從前的千克實(shí)物原器都不是在真空條件下移動(dòng)，在進(jìn)行質(zhì)量的傳遞時(shí)，也都是在空氣中完成一系列操作。

而不論采用功率天平法還是能量天平法重新定義千克，都是在真空條件下測(cè)量普朗克常數(shù)。這就意味著，要依照新的定義標(biāo)準(zhǔn)把真空狀態(tài)下測(cè)出的質(zhì)量傳遞到空氣中的砝碼上并沒有那么簡(jiǎn)單。

為了解決量值傳遞的關(guān)鍵技術(shù)問題，2017年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院曾建立了最大量程1千克的高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量裝置，該系統(tǒng)測(cè)量靈敏度優(yōu)于0.1μ克。在真空質(zhì)量測(cè)量、真空質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞等方面取得了一系列突破。

王健表示，直到現(xiàn)在，世界各國(guó)的計(jì)量學(xué)家還在尋找量值傳遞的優(yōu)化方案，也就是說，從舊的尺度完全更替到新的尺度，還有一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。

中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員李亮告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，計(jì)量單位從古至今一直在經(jīng)歷各種變換。用一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)替代舊的標(biāo)準(zhǔn)，要考慮的不僅僅是技術(shù)方面的問題，這背后還有文化、歷史和政治等多方面的因素。

“某一個(gè)尺度的標(biāo)準(zhǔn)從設(shè)立伊始，人們就會(huì)想辦法讓這一標(biāo)準(zhǔn)更為可靠與恒定。”李亮表示，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的確立，其實(shí)都是博弈、商討、妥協(xié)的結(jié)果。(任芳言)