千克、安培、摩尔和开尔文被重新定义?一文读懂来龙去脉!

 11月13至16日,由国际计量局(BIPM)组织的第26届国际计量大会(CGPM)在法国凡尔赛召开。大会最终对“修订国际单位制(SI)”的1号决议进行了表决。7个SI基本单位中的4个改由自然常数来定义,并于2019年5月20日起正式生效。新定义将保证SI的长期稳定性,并使复现单位的方法向更好、更新的技术开放。

  为什么要使用国际单位制?

  国际单位制,也是常说的米制或公制,想必大家都有一些概念,但是它被广泛被采用的原因是什么呢?各个国家之间进行贸易活动,那必然涉及到贸易产品的数量是多少的问题。比如说,我们国家要出口给美国一批钢材,价钱谈好了,例如一吨是800美元,接下来要进行贸易结算的话,就要确定这批钢材有多少吨。这里就会涉及一个测量问题,即是用中国的秤还是美国的秤来确定这批钢材的质量,或者说谁的秤更准、更公平。为了避免贸易摩擦,统一标准,国际单位制(International System of Units,SI)应运而生。在国际单位制中,明确规定了1千克到底应该多重。贸易双方可以都加入这个体系,然后用国际单位制中所规定的1吨标准(1000千克)来称量这批钢材,如此,就避免了可能的贸易纠纷,当然也就促进了不同国家间的贸易活动。换句话说,国际单位制的地位相当于贸易的第三方,或者是裁判员,保证了交易的公平公正。

  再举一个在科学研究方面的例子。1998年12月11号,火星“观察者”号飞船由美国宇航局发射升空后不明原因地神秘失踪。直至6年后,美国宇航局才找到了飞船失踪的原因:原来,美国洛克希德—马丁公司在研制飞船时将一部分工作转包给了英国的一家公司。而该公司负责项目的工程师使用了英国的计量单位(英制),而不是美国宇航局所使用的国际单位制。两套单位之间的差异,导致观察者号在计算和测量控制参数时出现了显著偏差,并在随后出现航行错误,导致轨道器最终进入低高度轨道并被大气压撕毁。要知道,火星观察者号的造价是一亿两千五百万美元!显然,如果两个合作方采用的是统一的单位,这样的悲剧就不会发生。这个例子更从侧面说明了单位制在全世界范围内的统一对促进科学技术发展的重要意义。


图:观察者号火星探测器在坠毁之前的照片 (图片来源:维基百科)
  国际单位制是如何发挥作用的?

  国际单位制共有7个基本单位,分别是米、秒、千克、安培、摩尔、开尔文和坎德拉。由这7个基本单位可以导出其他所有的单位。因此,要维持国际单位制本身的稳定性,必须要对这7个SI基本单位设立一种不随时间、环境等因素发生变化的定义,确保SI单位基本量值的稳定性。实际上,国际单位制建立的一个基本宗旨就是:For all time, for all people,即能在任何时间能为任何用户提供“最高标准”。

  在溯源体系方面,传统基于实物基准的定义,如千克,呈现金字塔状的溯源结构。在金字塔的顶端是保存在国际计量局的国际千克原器,而各个国家的千克基准,都要定期送到国际计量局进行校准。如此,国际计量局在基本单位的实物基准定义的单位量值传递方面便具有了核心地位。

  然而,近几十年来,量子技术的出现和发展打破了国际计量局在量值溯源方面的核心地位。例如,目前在计量领域应用最成功的量子基准——原子钟,复现SI基本单位秒的定义准确性已经进入10-18量级。在此基础上发展的导航、卫星成像技术广泛应用在人们的生活之中,取得了巨大的成功。如今,在很多国家的计量院都建立了高精度的原子钟用于对秒定义的复现,这些复现的装置本身基于量子效应,复现值与基本物理常数直接挂钩。各个国家也就不用把本国的原子钟送到国际计量局校准,因为基于量子现象实现的标准自身就具有绝对的准确性。给国际计量局“去核心化”也是本次基本单位变革的主要目标之一。

  本次国际单位制变革的主要内容是什么?

  第26届国际计量大会在2018年11月16日通过决议,决定对4个SI基本单位进行重新定义,即分别采用普朗克常数、基本电荷量、阿伏伽德罗常数和玻尔兹曼常数来分别重新定义基本单位千克、安培、摩尔和开尔文。新定义正式实施时间为2019年国际计量日(5月20日)。

  用于重新定义的4个基本物理常数值由国际科学数据委员会(CODATA)根据世界各主要实验室测量结果评差确定,4个常数的最终数值分别为:



图:SI基本单位和用于定义的基本物理常数(图片来源:国际计量局)
  在新定义实施之前,这四个SI基本单位的定义分别是:千克等于国际千克原器的质量;安培是一恒定电流,若它保持在处于真空中相距1米的两根无限长而横截面大小可被忽略的平行直导线内,则这两根导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7牛顿;摩尔所包含的基本单元数与0.012千克碳12的原子数目相等;开尔文等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

  为什么要重新定义、实物基准及其缺点?

  质量千克的量值,是用保存在国际计量局的一个砝码来确定的——国际千克原器(International prototype of kilogram,IPK)。之所以用这个砝码来定义质量的单位千克,是因为科学家发现铂铱合金(90%铂+10%铱)相对于其他的合金材料密度大且化学性质稳定。采用铂铱合金砝码定义千克的决议是在1889年召开的第1届国际计量大会上通过的。


图:国际千克原器(图片来源:国际计量局)
  千克采用国际千克原器定义后,计量学家们十分关心的一个问题是:这样的定义到底有多稳定?会随着时间的推移发生漂移吗?这个问题在定义质量单位千克之初就被提了出来。在1889年进行千克定义时,国际计量局共制作了7个铂铱合金千克砝码,其中里之前千克定义量值最近的一个,用于质量单位千克的定义,即国际千克原器。而其他6个采用同种材料、同种工艺制作的砝码,则作为副基准,用于检查彼此之间是否存在随时间变化的漂移。从1889年千克定义到今天,国际千克原器与6个副基准之间的量值比对试验共进行了4次,结果发现,6个副基准的平均量值相对于国际千克原器,在100多年的时间里变化了约50微克,即相对于1千克变化了约5×10-8。而测定该变化量的前提是假定国际千克原器的量值是绝对稳定的(定义),因此,是进行的相对测量。而对千克的绝对量变化,既无法测量,也无人知晓。从这一点上来讲,千克基于国际千克原器质量的定义不是“for all time”,因为千克的实际量值可能已经随时间发生了变化。


图:国际千克原器与6个复制品比对结果(横坐标为比对年份,纵坐标为砝码质量差值[微克])
  千克用千克原器定义后,千克原器就被保存在国际计量局。为了保证千克原器的绝对安全,用于保存千克原器的装置外设置了3把锁,钥匙交由3个不同的重要人物保管,分别是国际计量局局长、国际计量咨询委员会主席和法国档案部部长。从这点上看,基于国际千克原器的千克定义也不是“for all people”。

  应特别注意7个SI基本单位的定义之间并不是彼此独立的,千克量值的不稳定性,还会影响SI其他基本单位的量值。例如,在上述的基本单位定义中,电流单位安培的定义用到了导出单位牛顿,而牛顿这个单位中就包含质量单位千克。再例如,摩尔的定义中也用到了千克。现有的千克量值基准存在的缓慢变化,虽然说现阶段还不足以影响人们的日常生活,但其长期积累的效应,无疑会影响国际计量制体系的稳定性,并且会对精密科学研究产生不良影响。

  采用了新定义后的好处是什么?

  基于基本物理常数重新定义SI的上述基本单位,最重要的进步,是使得基本单位的量值具有了长期稳定性。至少,目前已有的科学试验并未发现基本物理常数在宇宙形成后曾发生过显著变化,即便有微小的变化,这种变化在人类存在的历史中也完全可以忽略不计。基于基本物理常数定义SI的基本单位,就是要使对基本单位量值的复现变得不再受时间、地点以及环境的限制。打个比方,质量的单位千克采用普朗克常数重新定义后,我国若建立了达到国际先进水平的联系普朗克常数与砝码质量的精密测量试验装置,那么,我们国家的千克标准砝码,就不需要再送到国际计量局去进行校准了。不仅如此,原则上我们的装置测量准确性得到公认的话,还能为其他国家提供校准的服务。

  千克单位新定义具有开放性,还允许人们在家里建造自己的砝码校准装置。例如,我两年多前在美国国家计量院工作期间,一个同事Leon.Chao,就自己用乐高拼块制作了一架功率天平装置,并成功地实现了对克量级砝码优于1%的校准。


图:美国计量院Leon Chao搭建的乐高版功率天平(图片来源:美国物理联合会)
  采用基本物理常数重新定义SI基本单位,这对基本单位量值保持连续性也意义非凡。以前人们对实物基准,总担心因为天灾或人祸而损毁,而采用基本物理常数重新定义基本单位后,人们就无需考虑这个问题了。并且,在以前,当新的、更准确的计量技术出现时,可能会导致基本单位的定义要被修改。例如,质量单位千克在被定义为国际千克原器的质量之前,还曾被定义为1升水的质量。采用基本物理常数定义SI基本单位后,可以在相当长的时间内避免基本单位的定义被反复修改。而且未来随着相关技术的进步,只会不断提升单位量值复现的准确性,但不会轻易改变基本单位的定义。另外,上述4个SI基本单位的重新定义,也会使得SI七个基本单位的定义具有统一的形式。

  与SI基本单位定义相对应,基本物理常数体系在本次SI单位制修订中也会产生重要的变化。普朗克常数、基本电荷量、阿佛加德罗常数、玻尔兹曼常数的数值被确定下来后,很多与之相关的基本物理常数的测量准确性也会发生重要变化。但总体来讲,新单位体制下的基本物理常数体系将更为精密,其测量不确定度也将变得更小。

  这次基本单位修订会对人们生活有什么影响吗?

  本次SI基本单位修正的基本原则,是保证基本单位量值的连贯性,即保证新的定义对人们生活产生的影响最小。应该说,本次SI基本单位定义的修订,是过去几十年来大量科技人员努力奋斗的结果。在此之前,物理学家、计量学家等在共同努力希望做得更好一件事情,就是将这些用于SI基本单位定义的基本物理常数的量值测准。而在此测量过程中,必须保证所使用的相关基准能够完全溯源到现有的SI基本单位定义上。例如,测量普朗克常数所使用的砝码,必须要能溯源到国际千克原器上。这样做的目的,就是保证在重新定义后,SI基本单位的量值在新、旧定义中是连续的,不会发生跳变。简单地说,本次SI基本单位制的修订,不会对人们的基本生活产生影响。

  这次SI基本单位修订有缺点吗?

  本次SI基本单位修订也存在一个小缺点,即对中小学的科普可能存在一些困难。例如,未来千克的定义为(还没有官方表述):千克是使得普朗克常数准确等于6.62607015×10-34焦耳*秒的质量。显然,相对于之前的实物基准定义,如何将普朗克常数与砝码联系在一起,中小学生在理解上可能会有一定困难。个人认为,最简单的理解,也需要用到爱因斯坦的质能方程和普朗克辐射,即mc2=hf(m为质量,c为真空中的光速,h为普朗克常数,f为辐射频率)。因此,在未来,将这些新定义转化成易懂、深入浅出的物理解释或描述,也是一件十分重要且必须要做好的事情。
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