國際千克原器。圖/國際計(jì)量局官網(wǎng)

千克、安培、開爾文、摩爾……這些人類描述和定義世間萬物的標(biāo)尺，今后將全部由“常數(shù)”定義。

昨日，國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局舉行“國際單位制重大變革”專題新聞發(fā)布會(huì)。市場(chǎng)監(jiān)管總局計(jì)量司司長謝軍在發(fā)布會(huì)上透露，明年5月20日起，中國將啟用新國際單位制，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”將改由基本物理常數(shù)重新定義。

7個(gè)基本單位改由常數(shù)定義

“2018年11月16日，貌似平淡無奇的一天，人類文明悄然度過了一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。”在昨日的新聞發(fā)布會(huì)上，市場(chǎng)監(jiān)管總局計(jì)量司司長謝軍援引一句評(píng)語，描述國際單位制重新定義的意義。

國際單位制(SI)作為國際通用測(cè)量語言，幾乎是世界上所有國家的法定單位制。去年11月16日，在法國巴黎召開的第26屆國際計(jì)量大會(huì)上，經(jīng)包括中國在內(nèi)的53個(gè)成員國集體表決，全票通過了關(guān)于“修訂國際單位制”的1號(hào)決議。

根據(jù)決議，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”4個(gè)國際單位制基本單位將改由常數(shù)定義，從而更具有穩(wěn)定性和普適性，并將于2019年5月20日“世界計(jì)量日”當(dāng)天正式生效。

加之此前對(duì)時(shí)間單位“秒”、長度單位“米”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”的重新定義，至此，國際計(jì)量單位制的7個(gè)基本單位全部實(shí)現(xiàn)由基本物理常數(shù)定義。

中學(xué)物理教科書將改寫

“這是改變國際單位制采用實(shí)物計(jì)量的歷史性變革，也將成為人類科學(xué)發(fā)展進(jìn)步中不會(huì)被忘記的一座里程碑?！敝x軍指出，這次國際單位制的成功變革，將保證SI長期穩(wěn)定性和環(huán)宇通用性，也將開啟任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)、任意主體根據(jù)定義復(fù)現(xiàn)單位量值的大門。

明年5月20日，中國將啟用新國際單位制。

謝軍說，就像1967年，用原子的特性修訂了時(shí)間單位“秒”的定義，使我們?cè)趲资旰蟮慕裉鞊碛辛诵l(wèi)星導(dǎo)航和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一樣，“千克”等4個(gè)國際單位制的重新定義，將在未來對(duì)人類科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境等領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，而現(xiàn)在我們對(duì)這些影響的預(yù)判和認(rèn)為，可能是未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知。

一個(gè)近在眼前的影響是，中學(xué)物理教科書需要相應(yīng)修訂。記者獲悉，目前，國家市場(chǎng)監(jiān)管總局有關(guān)部門正與教育部進(jìn)行溝通，爭(zhēng)取早日將新的國際單位制定義寫入中學(xué)教材。

【釋疑1】

為何重新定義基本單位?

按照第26屆國際計(jì)量大會(huì)1號(hào)決議，千克、安培、開爾文、摩爾將分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、波爾茲曼常數(shù)k和阿伏伽德羅常數(shù)NA定義。

從理論上說，這些基本物理常數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，與測(cè)量地點(diǎn)、測(cè)量時(shí)間及所用的測(cè)量儀器及材料均無關(guān)聯(lián)，是恒定不變的量。

以溫度單位“開爾文”為例，其原定義基于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度，即冰、液態(tài)水和水蒸氣共存時(shí)的溫度，定義為273.16開爾文。按照新定義，“開爾文”將由波爾茲曼常數(shù)k的固定數(shù)值定義。

質(zhì)量單位“千克”作為最后一個(gè)仍由實(shí)物定義的SI單位，也將改由常數(shù)定義。中國計(jì)量科學(xué)研究院院長方向說，一個(gè)多世紀(jì)以來，1千克的質(zhì)量都是由“國際千克原器”——一塊高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體來定義，即1千克等于國際千克原器的質(zhì)量。

修訂后，千克將采用普朗克常數(shù)h的固定數(shù)值定義。其原理是將移動(dòng)質(zhì)量1千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。

中國計(jì)量院從事質(zhì)量新定義研究的研究員李正坤介紹，鑒于實(shí)物本身的不穩(wěn)定性，測(cè)量界一直以來都在致力于建立一個(gè)不依賴于物理實(shí)物的測(cè)量體系。20世紀(jì)以來，科學(xué)家們測(cè)量了自然界的基本常數(shù)，如光速和普朗克常數(shù)，準(zhǔn)確度越來越高。他們發(fā)現(xiàn)這些常數(shù)比實(shí)物更加穩(wěn)定，并將這些常數(shù)的數(shù)值固定下來。這些自然常數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，至少比實(shí)物穩(wěn)定100萬倍。

“用普朗克常數(shù)h重新定義千克后，質(zhì)量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮國際千克原器質(zhì)量是否發(fā)生變化，更不必?fù)?dān)心國際千克原器丟失、損壞可能給全球質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來的毀滅性災(zāi)難?！崩钫ふf。

【釋疑2】

計(jì)量單位變化有何影響?

對(duì)大多數(shù)普通人來說，國際單位制的變化不會(huì)對(duì)生活產(chǎn)生即時(shí)影響。

“千克的定義變化后，體重會(huì)變重嗎?買菜會(huì)不會(huì)變貴了?不會(huì)，買一斤菜還是一斤菜?！狈较蚪忉屨f。

謝軍同樣指出，新定義生效后，對(duì)大多數(shù)科研人員、產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活來說，不會(huì)直接造成大的改變，原有的測(cè)量結(jié)果仍將是連續(xù)的、穩(wěn)定的。

“此次變革從表面看可能感覺不到發(fā)生的變化，就如同我們給房子換了一個(gè)更加堅(jiān)固的地基，并不太會(huì)直接影響我們生活起居，但它實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了‘脫胎換骨’的變化?！敝x軍指出，SI重新定義將使計(jì)量基準(zhǔn)可隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)，“通俗地說，就是我們?cè)谏a(chǎn)生活中都將能夠直接應(yīng)用最準(zhǔn)的‘標(biāo)尺’。”

方向進(jìn)一步指出，得益于更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，可以測(cè)量極高、極低溫度的微小變化，更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆內(nèi)、航天器表面的溫度變化;在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，可以更準(zhǔn)確測(cè)量單個(gè)細(xì)胞內(nèi)某種物質(zhì)的含量，并根據(jù)病人實(shí)際需要，定制更精準(zhǔn)的藥物劑量。

此外，謝軍進(jìn)一步解釋說，SI重新定義生效后，可通過嵌入芯片級(jí)量子計(jì)量基準(zhǔn)，將能把最高測(cè)量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造全過程的更準(zhǔn)確穩(wěn)定地感知和最佳控制，支撐流程再造、節(jié)能減排和質(zhì)量提升等，這將助推新一輪以信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能為特征的科技革命。

■ 鏈接

130歲“國際千克原器”將退役

中國計(jì)量科學(xué)研究院院長方向介紹，國際單位制SI是從“米制”發(fā)展起來的國際通用的測(cè)量語言，是人類描述和定義世間萬物的標(biāo)尺。國際單位制規(guī)定了7個(gè)具有嚴(yán)格定義的基本單位，分別是時(shí)間單位“秒”、長度單位“米”、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”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”。

它們好比7塊彼此獨(dú)立又相互支撐的“基石”，構(gòu)成了國際單位制的“地基”。國際單位制規(guī)定的其他單位，如力的單位牛頓、電壓單位伏特、能量單位焦耳等等，都可以由這7個(gè)基本單位組合導(dǎo)出。

而“千克”重新定義后，國際千克原器將正式退役。方向介紹，經(jīng)1889年第一屆國際計(jì)量大會(huì)批準(zhǔn)使用以來，“國際千克原器”由國際計(jì)量局維護(hù)，保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險(xiǎn)箱內(nèi)，并用三層玻璃鐘罩保護(hù)，最外一層抽成半真空，以防止空氣和雜質(zhì)進(jìn)入。保險(xiǎn)箱必須由三把鑰匙同時(shí)開啟，鑰匙分別保存在國際計(jì)量局局長、國際計(jì)量委員會(huì)主席和法國國家檔案館館長手中。

方向介紹說，國際千克原器有且只有一個(gè)，各國按照一樣的大小、一樣的原材料復(fù)制了若干個(gè)，來保證計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)一致，比如中國計(jì)量科學(xué)研究院就保存了三個(gè)復(fù)制件，目前有效的還有兩個(gè)。

每隔40年，各國計(jì)量院需將復(fù)制件運(yùn)回巴黎，與原器進(jìn)行對(duì)比，校準(zhǔn)自己的千克原器。雖然國際千克原器被嚴(yán)格保存，但只要落上一粒塵埃，就會(huì)對(duì)全世界的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生變化。

服役近130年來，國際千克原器的質(zhì)量與各國保存的復(fù)制件質(zhì)量基準(zhǔn)、國際計(jì)量局官方作證基準(zhǔn)出現(xiàn)了約50微克偏差，這大約是一根睫毛的重量。