國際單位制為什么要重新定義

魏星 摘編

國際單位制為什么要重新定義

2018年11月16日，第26屆國際計量大會通過“修訂國際單位制”決議，正式更新包括國際標準質(zhì)量單位“千克”在內(nèi)的4項基本單位定義。新國際單位體系將采用物理常數(shù)重新定義質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。其中，最受關(guān)注的“千克”定義，將以量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)為基準，其原理是將移動質(zhì)量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數(shù)表達的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。那么你知道為什么要做出這樣的改變嗎？

在創(chuàng)建國際通用的計量單位體系時，最初是規(guī)定1立方分米純水在4攝氏度時的質(zhì)量為“1千克”，這是因為當(dāng)時的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，水在4攝氏度時的密度最為穩(wěn)定。然而，以水為標準的質(zhì)量既不方便又不穩(wěn)定，所以1889年“千克”被批準由一塊39毫米高、底面直徑也為39毫米的鉑銥合金圓柱體來定義。其中鉑含量為90%、銥含量為10%，不僅穩(wěn)定性強，還具有極強的抗氧化性和抗化學(xué)腐蝕性。這個圓柱體學(xué)名為“國際千克原器”，被人們親切稱為“大K”。

“大K”自誕生起一直被存放在位于法國巴黎郊區(qū)的國際計量局地下儲藏室保險箱內(nèi)并用3層玻璃鐘罩保護，最外一層抽成半真空，以防止空氣和雜質(zhì)進入。保險箱也必須由3把鑰匙同時打開，而這3把鑰匙分別保存在國際計量局局長、國際計量委員會主席和法國國家檔案館館長手中。迄今“大K”僅“面世”4次，每過40年才取出一次，接受清洗和檢查。各國保存的復(fù)制品會定期到國際計量局與“大K”進行校準。盡管如此小心翼翼，仍不能如人們所希望的“永不改變”。這種實物基準一般是用工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成，以保證其穩(wěn)定性。但是隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統(tǒng)計量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出許多不足之處。

1992年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，比起復(fù)制品的平均質(zhì)量，“大K”的體重減少了近50微克。2013年德國《計量學(xué)》雜志刊載研究報告稱，“大K”因表面遭污染而增重數(shù)十微克。科學(xué)家借助X射線光譜學(xué)成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)“大K”表面附著數(shù)十微克碳基及汞污染。碳可能來源于汽車尾氣，汞污染物則來自實驗室內(nèi)偶爾打破的水銀溫度計和水銀氣壓計。50微克，大約是一粒沙子的十分之一。這一變化對于普通人的生活來說，沒有太大影響，但對于精密實驗和測量，可能是個大麻煩。而分布在世界各地的原始砝碼復(fù)制品的重量如今也不盡相同。

由此，經(jīng)過全球各國國家計量院的多年研究，最終決定將國際測量體系全部建立在不變的自然常數(shù)上。至此，國際計量單位制的7個基本單位全部實現(xiàn)由常數(shù)定義，這也是改變國際單位制采用實物計量的歷史性變革。（魏星摘編自新華網(wǎng)，科普中國-科技前沿大師談，2018-12-14/作者：童植）