5月20日，第二十個(gè)世界計(jì)量日，新修訂的國(guó)際單位制體系正式生效?！懊搿薄懊住薄扒Э恕薄鞍才唷薄伴_(kāi)爾文”“摩爾”“坎德拉”將全部以常數(shù)定義，全新的測(cè)量體系正式啟用。其中，全球砝碼量值的源頭——國(guó)際千克原器大K也隨之正式卸任。這是國(guó)際單位制自1963年創(chuàng)立以來(lái)最重大的變革。根據(jù)新定義，“掌管”千克的是一個(gè)以普朗克常數(shù)為基礎(chǔ)的公式?；締挝徊辉倥c實(shí)物關(guān)聯(lián)，計(jì)量精準(zhǔn)度的躍遷更將開(kāi)啟無(wú)限可能，帶來(lái)新的認(rèn)知和機(jī)遇、催生新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。
公式為虛，質(zhì)量為實(shí)，由虛到實(shí)，如何復(fù)現(xiàn)公式定義的1千克呢？記者探訪了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。
國(guó)際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等裝置復(fù)現(xiàn)千克
走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)像太空艙一樣的三層大鐘罩便映入眼簾?！拔磥?lái)，我國(guó)千克的復(fù)現(xiàn)將通過(guò)這個(gè)裝置完成?！敝袊?guó)計(jì)量科學(xué)研究院電學(xué)量子基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室主任李正坤說(shuō)，目前國(guó)際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等試驗(yàn)裝置來(lái)復(fù)現(xiàn)千克，我國(guó)選用的是能量天平方案。
李正坤介紹，鐘罩外觀是為了提供真空的測(cè)量環(huán)境。鐘罩內(nèi)，置入水平徑向磁場(chǎng)的懸掛線圈通過(guò)后將產(chǎn)生電磁力，穩(wěn)穩(wěn)托起被稱砝碼，使得測(cè)力傳感器讀數(shù)保持不變?！斑@樣，我們就建立起機(jī)械量與電學(xué)量之間的關(guān)系，計(jì)算出電磁力，即可推導(dǎo)出砝碼的質(zhì)量?！崩钫ふf(shuō)。
聽(tīng)起來(lái)似乎并不難？李正坤卻說(shuō)，電磁力的測(cè)量也不簡(jiǎn)單。從2007年開(kāi)啟研究，團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了大量精力，才成功研制出一套互感精密測(cè)量系統(tǒng)，將互感量溯源到量子化霍爾電阻和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。
研究人員正在調(diào)試能量天平試驗(yàn)裝置。（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院供圖）
體現(xiàn)在實(shí)物上，大鐘罩邊上整齊排列著4個(gè)機(jī)柜，每個(gè)柜子內(nèi)放著各種儀器。電磁力的計(jì)算涉及多個(gè)電學(xué)量的測(cè)量，需要多種測(cè)量?jī)x器，有些可以使用商用儀器，有些用于信號(hào)控制、濾波、線圈位置和姿態(tài)鎖定等功能的儀器只能自行研發(fā)。
據(jù)介紹，今年9月，國(guó)際計(jì)量局將組織一次國(guó)際比對(duì)，看看哪個(gè)國(guó)家將千克復(fù)現(xiàn)得更準(zhǔn)。比對(duì)時(shí)將把各國(guó)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，哪個(gè)國(guó)家的測(cè)量值離平均值更近，就意味著復(fù)現(xiàn)能力更強(qiáng)。權(quán)重則依據(jù)各國(guó)裝置的測(cè)量穩(wěn)定性確定，穩(wěn)定性越高、誤差越小，權(quán)重就越大。
“從現(xiàn)在起到9月，是我們對(duì)設(shè)備的調(diào)校期，希望參加比對(duì)時(shí)，我國(guó)能量天平裝置的誤差能縮小至10－8量級(jí)?！?李正坤說(shuō)，這就好比世界一級(jí)方程式錦標(biāo)賽，各個(gè)車隊(duì)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)、車體材料、車體形狀等基本相同，比拼的是對(duì)車輛的調(diào)校能力，誰(shuí)能將性能調(diào)到最優(yōu)，誰(shuí)獲勝的可能性就越大。
為了降低能量天平的測(cè)量不穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)盡力把每個(gè)因素都考慮到位。為裝置設(shè)置防震溝，以防微小振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；鐘罩框架采用大理石加工而成，千年形成的花崗巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，既結(jié)實(shí)又不會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境最為理想；采用永磁體代替電磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，以防發(fā)電線圈發(fā)熱導(dǎo)致測(cè)量環(huán)境溫度升高，測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差……
能量天平方案是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的方案，我國(guó)也是世界上唯一采用能量天平方案的國(guó)家。與主流功率天平方案相比，能量天平整個(gè)測(cè)量過(guò)程都是靜態(tài)的，避免了功率天平的動(dòng)態(tài)測(cè)量問(wèn)題。
以實(shí)物為基準(zhǔn)的量值已不能適應(yīng)精密測(cè)量的需要
以前，我們將國(guó)家的千克原器送到位于法國(guó)的國(guó)際計(jì)量局和大K比對(duì)，回國(guó)后再根據(jù)比對(duì)結(jié)果對(duì)國(guó)內(nèi)的千克原器進(jìn)行修正。舉個(gè)例子，1963年我國(guó)有了第一顆國(guó)家千克原器，此時(shí)它與大K質(zhì)量相等，同為1千克。假設(shè)，40年后，2003年，將我國(guó)國(guó)家千克原器與大K比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)我國(guó)國(guó)家千克原器比大K重了0.00001千克，則原本我國(guó)記錄的1千克物品質(zhì)量都須變?yōu)?.00001千克。
現(xiàn)在，能量天平裝置可以準(zhǔn)確測(cè)出所有砝碼的質(zhì)量，通過(guò)砝碼，即可衡量所有物品的質(zhì)量。而不擁有千克復(fù)現(xiàn)能力的國(guó)家，只能委托其他國(guó)家進(jìn)行測(cè)量，容易處于被動(dòng)狀態(tài)。
“這將節(jié)約大量的成本。以前，每隔一段時(shí)間，我國(guó)國(guó)家千克原器就得前往國(guó)際計(jì)量局進(jìn)行比對(duì)，為防止發(fā)生空難導(dǎo)致國(guó)家千克原器受損，我國(guó)的兩顆國(guó)家千克原器還須乘坐不同的航班前往法國(guó)，成本高昂。現(xiàn)在，國(guó)際計(jì)量局只需8—10年舉行一次國(guó)際比對(duì)即可?！崩钫ふf(shuō)。
新的國(guó)際單位制還將讓我們對(duì)自然界有新的認(rèn)識(shí)，帶來(lái)新的機(jī)遇，從而催生新的產(chǎn)業(yè)。100多年來(lái)，科學(xué)家之所以探索國(guó)際單位制的變革，是因?yàn)橐詫?shí)物為基準(zhǔn)向世界傳遞量值，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)精密測(cè)量的需要。
“雖然對(duì)普通大眾而言，生活中的1千克沒(méi)有改變。但需要精確質(zhì)量測(cè)量的大氣污染測(cè)量和制藥領(lǐng)域，將迎來(lái)新的機(jī)遇?！敝袊?guó)計(jì)量科學(xué)研究院院長(zhǎng)方向說(shuō)。
方向表示，我們對(duì)不可預(yù)期的未來(lái)還應(yīng)持開(kāi)放態(tài)度。
回顧過(guò)去，1967年科學(xué)家用銫原子的基態(tài)能級(jí)躍遷重新定義了秒，由天文秒改為原子秒，這才有了后來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為第一個(gè)跨進(jìn)量子大門(mén)的國(guó)際單位制，秒是準(zhǔn)確度最高、穩(wěn)定性最好、應(yīng)用最廣泛的基本單位，也造就了米的定義——光在真空中于1/299792458秒內(nèi)行進(jìn)的距離。
“這些都是在短短的30年內(nèi)發(fā)生的，我們有理由對(duì)新單位制下的未來(lái)充滿期待?！狈较蛘f(shuō)。
新單位制讓生產(chǎn)一線上的儀器和量具就可以復(fù)現(xiàn)最高基準(zhǔn)
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界上72%的物理學(xué)獎(jiǎng)、81%的化學(xué)獎(jiǎng)、95%的生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的成果都是借助于相關(guān)尖端儀器完成的。而儀器的穩(wěn)定性、可靠性又與計(jì)量息息相關(guān)。
就以最基礎(chǔ)的時(shí)間為例，目前全球統(tǒng)一使用的世界時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)。而協(xié)調(diào)世界時(shí)又是依據(jù)全球主要國(guó)家守時(shí)鐘數(shù)據(jù)加權(quán)平均，并經(jīng)過(guò)閏秒調(diào)整得出的。守時(shí)鐘又依賴于各個(gè)國(guó)家的國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)。國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)又取決于一個(gè)國(guó)家對(duì)秒的復(fù)現(xiàn)能力，哪個(gè)國(guó)家的銫原子鐘更穩(wěn)，優(yōu)勢(shì)就更大。目前，我國(guó)使用的銫原子鐘，可以做到走3000萬(wàn)年不差1秒，正在研制的新一代銫原子鐘有望實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)億年不差1秒。而這一能力，將直接影響北斗系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
方向說(shuō)，新的國(guó)際單位制啟用后，基本單位的定義和復(fù)現(xiàn)方法分離，即使以后出現(xiàn)新技術(shù)，不必修改定義就可以做到復(fù)現(xiàn)的變革。其次，不依賴實(shí)物基準(zhǔn)后，量值的傳遞實(shí)現(xiàn)了扁平化，最高基準(zhǔn)可以直接傳遞到用戶，中間環(huán)節(jié)傳遞的誤差損失變得很小且非常經(jīng)濟(jì)。
“有了新的單位制，生產(chǎn)一線上的儀器和量具就可以復(fù)現(xiàn)最高基準(zhǔn)，這對(duì)于我們重新梳理和構(gòu)建測(cè)量手段、測(cè)量能力，研究新的測(cè)量技術(shù)，進(jìn)而提升我國(guó)的產(chǎn)品質(zhì)量，大有好處?！?哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院院長(zhǎng)譚久彬認(rèn)為，過(guò)去我國(guó)在測(cè)量能力上的短板不用再一點(diǎn)點(diǎn)補(bǔ)齊，而是可以利用好扁平化的優(yōu)勢(shì)，盡快建立我國(guó)新的測(cè)量體系?！鞍l(fā)達(dá)國(guó)家也有重建、改建測(cè)量體系的過(guò)程，如果我們抓好這次機(jī)遇，將極大地縮短追趕距離，甚至在很多方面能實(shí)現(xiàn)趕超?！?
清華大學(xué)副校長(zhǎng)尤政也表示：“中國(guó)的工業(yè)革命時(shí)間比較短，盡管我們一直奮力追趕，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)期積累相比還是差距較大。國(guó)際單位制實(shí)現(xiàn)量子化后，可以說(shuō)他們之前的基礎(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢(shì)好比‘清零’了，新的測(cè)量技術(shù)將應(yīng)運(yùn)而生，大家又重新回到了同一條起跑線上?！?
