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国际单位制SI迎来历史性变革
发布时间:2018/11/19 来源:计量资讯快递 浏览:801次

   巴黎时间11月16日下午,第26届国际计量大会(CGPM)关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议经全体成员国表决通过。根据决议,SI基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛加德罗常数NA定义。这是SI自1960年创建以来最为重大的变革,将从根本上保证SI的长期稳定性,对科技创新、产业发展和全球治理等影响深远。


实物原器退出历史舞台

     世界上最重要的一块铂铱合金圆柱体——国际千克原器(IPK)成为了千克定义的历史。这件为世界科技服役近130年的实物原器将继续以原有状态保存在法国塞夫勒的布勒特伊宫地下保险箱内,为新定义相关研究和国际比对发挥“余热”,但它将不再出现于任何物理公式中。

                   

国际千克原器IPK

国际计量局供图

 

    据中国计量院从事质量新定义研究的李正坤研究员介绍,IPK及其复制品是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的,在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求。但实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所改变。

                                                  

清洗千克基准(第43号千克基准)

拍摄于20世纪90年代,国际计量局供图

 

     据国际计量局官方数据显示,IPK真正“面世”参加国际比对的次数仅有4次。100年间,各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准与IPK的一致性共发生了约0.05 毫克的变化。但IPK质量究竟变化了多少至今仍然是个迷。

                                                  

2003年参与国际比对后IPK被放回保险箱

国际计量局供图

     “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毁灭性灾难。”李正坤表示。


      此外,IPK作为最高基准,量值只有1千克一种。从最高基准到具体的应用场所,量值要经过多次分解和传递,这会对量值准确性造成损失。


     “基于新定义的千克可以在极大、极小值的全范围内,保持相同的不确定度。”国际计量委员会副主席、单位制咨询委主席约阿希姆·乌尔里希表示,“这对于科学研究和工业应用而言都非常重要。”


SI真正成为全球通用的测量基础

       国际单位制(SI)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。


     “‘米制’在创立时的愿景即是‘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‘自然常数’而非某种主观的标准来定义单位,而这一点随着SI的修订真正成为了现实。”国际计量委员会主席白瑞·英格里斯表示。


     自启蒙时代起,国际测量界就致力于建立一个“全球通用”的测量系统。用实物作为测量基准一直是一个可行的方式,但这也是测量界想要尽早摒弃的方式。SI的修订第一次使所有的基本单位和导出单位都建立在恒定不变、全球通用的常数上——国际测量界多年夙愿成为了现实。


      此外,SI定义将第一次独立于它们的复现方式:这些定义不会随着更好的复现方式的出现而过时。以安培为例,其旧定义是“两条间隔一定距离的导线间的电磁作用力”,这意味着电流需要采用一定的复现方式来定义。但是,随着约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的出现,旧的定义方式过时了。而安培的新定义则只和一定时间内通过的电子数有关,并不涉及复现方式。

                                                                加拿大/英国基布尔(功率)天平装置    

                                                                  

     “新定义生效后,千克可以通过任何适当的方法复现,比如基布尔天平法和阿佛加德罗法等,但并不仅限于此。”约阿希姆·乌尔里希表示。


                                                            德国阿佛加德罗法(X射线晶体密度法)复现千克装置

                                                                                 中国计量院能量天平装置(局部)

       正如国际计量局局长马丁·米尔顿在公开发表的声明中所说,用基本常数作为我们认识和定义质量、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。”马丁·米尔顿说,“就像1967年用原子的特性修订秒定义一样——尽管在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、技术、贸易、健康、环境以及更多领域产生深远影响。”


国际单位制修订的中国贡献

       国际计量委员会主席白瑞·英格里斯在声明中表示:“SI的修订是科学成就的一座里程碑。这是所有参与相关研究工作的国家计量院与国际计量局责任与担当的体现,正是这些研究机构开展的潜心研究和通力合作,才取得了这样的成就。”


      事实上,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的提高,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。


     中国计量科学研究院作为我国的国家计量院,始终紧跟国际计量科学前沿,并在SI基本单位复现新理论、新方法等方面持续开展研究。截至目前,中国计量院已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿佛加德罗常数等物理常数测量以及量子基准的建立方面取得了系列突破。特别是该院利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为SI温度基本单位开尔文的修订做出了重要贡献。

                 

CODATA 2017玻尔兹曼常数平差所用数据

(NIM为中国计量科学研究院)

来源:国际科学技术数据委员会(CODATA)

 

      在全球科学家们的努力下,用于SI新定义的常数被精心设计在“刚刚好”的数值上,因此,在新定义生效前后,单位的大小不会发生显著变化——1千克还将是原来的1千克——测量结果在很高的准确度水平上仍然是一致的。


     “新定义生效后,绝大多数用户并不需要为此做出任何反应,大家可以和原来一样,从国际计量局、国家计量院以及获得认可的实验室获得相关量值到SI的溯源性。”马丁·米尔顿表示。“事实上,电压单位伏特的量值将仅发生大约一千万分之一的变化,欧姆的变化则更小;千克、开尔文、摩尔的定义更是基本可以忽略不计。”


    另据国际计量局官方声明显示,国际计量局将在千克重新定义以后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”。建有相关复现装置的国家计量院必须在“共识值”的基础上依据新定义进行量值传递,直到其独立复现的不确定度达到与“共识值”相当的水平。而其它不能独立复现千克的成员国,则可以通过国际计量局的校准服务实现质量量值对SI的溯源。


    据悉,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,可以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

 

(来源:计量资讯快递)

 
 
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