就像一位年迈的君主,“大K”即将向现代化低头。130年来,这个闪闪发光的铂铱合金圆柱体一直是世界质量标准。众所周知的“1千克”这一质量单位由一个直径和高度同约为39毫米的铂铱合金圆柱体定义,即“国际千克原器”,外号为“大K”。“大K”原器保存在巴黎西郊一间地下储藏室内。法国塞夫勒的国际度量衡局(BIPM)每隔40年左右就会把“大K”取出来,在世界各地校准重量。
但其质量受空气污染和氧化等因素影响出现了细微变化,已难以适应现代精密测量的要求。因此科学界一直想用一种基于物理常数的定义将其取代。
11月16日,第26届国际计量大会(CGPM)经各个成员国表决,通过了关于“修订国际单位制”的决议。根据决议,国际单位制基本单位中的4个——千克、安培、开尔文、摩尔分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数、阿佛加德罗常数定义。
决议将于下一个国际计量日,即2019年5月20日正式生效。尽管这些单位的大小不会发生变化——1千克还将是原来的1千克,但修订后的4个单位将与秒、米和坎德拉一起,共同提高国际单位制的整体稳定性和实用性。这是国际单位制自1960年创建以来最为重大的一次变革。
“国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”BIPM局长马丁·米尔顿表示,“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。”
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虽是可行的方式,但也是测量界想要尽早摒弃的方式。
值得注意的是,这次修改重写了用于定义单位的最后一个物理工件“大K”的命运。即最受关注的“千克”定义,将以量子力学中的普朗克常数为基准,其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力,再通过质能转换公式算出质量。
因此,从2019年国际计量日开始,“大K”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。
中国计量院从事质量新定义研究的研究员李正坤介绍,“大K”及其复制品是用19世纪末至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缓慢地发生变化,因而它所保存的量值也会有所改变。
2005年,国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数重新定义部分国际单位制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。
记者了解到,截至目前,中国计量科学研究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一系列突破,他们还利用声学法和噪声法两种方法测得玻尔兹曼常数,为国际单位制温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。