国际单位制迎来历史性变革,实物原器定义法成历史

2018-11-19 光明日报

  记者16日从中国计量科学研究院获悉,第26届国际计量大会经各个成员国表决,于16日通过了关于“修订国际单位制”的1号决议。根据决议,千克、安培、开尔文和摩尔等4个国际单位制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来定义。这是国际单位制自创建以来的最重大的变革,用实物原器定义测量单位的方法成为历史,这将从根本上保证国际单位制的长期稳定性,对科技创新、产业发展和全球治理等影响深远。

  据了解,国际单位制目前有7个:时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。起初,测量单位是基于实物或物质的特性来定义的。但是,以实物作为基准,会遇到一个问题:这些实物会随时间推移或环境改变而变化,不能满足当今科学研究与技术应用对测量准确度的需要。

  以千克为例,其定义来自于一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体,即“国际千克原器”的质量。“但这个基准实物一旦制成后,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。”中国计量院从事质量新定义研究的研究员李正坤指出。据国际计量局数据显示,百年来各国保存的质量基准与国际千克原器的一致性共发生了约0.05毫克的变化。

  鉴于实物本身的不稳定性,测量界一直以来都在致力于建立一个不依赖于物理实物的测量体系。20世纪以来,科学家们测量了自然界的基本常数,如光速和普朗克常数,准确度越来越高,比实物更加稳定。这些自然常数不会发生变化,至少比实物稳定一百万倍。“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。”李正坤说,千克改用普朗克这个量子物理的基本常数,适用于任何地点、任何时间。

  此次修订的千克等四个测量单位将与已重新定义的秒、米和坎德拉一起,共同构成新的测量体系。国际计量局局长马丁·米尔顿表示,国际单位制不再需要基准实物,而以量子等自然界基本物理常数为基础来重新定义,更具有稳定性和普适性。新定义将利用“自然法则创建测量法则”,将原子及量子级的测量与宏观世界的测量联系在一起。

  在国际单位制修订过程中,也有中国科学家的身影。作为我国的国家计量院,中国计量科学研究院在玻尔兹曼常数、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。特别是利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。

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