5月20日,第二十個世界計量日,新修訂的國際單位制體系正式生效。“秒”“米”“千克”“安培”“開爾文”“摩爾”“坎德拉”將全部以常數(shù)定義,全新的測量體系正式啟用。其中,全球砝碼量值的源頭——國際千克原器大K也隨之正式卸任。這是國際單位制自1963年創(chuàng)立以來最重大的變革。根據(jù)新定義,“掌管”千克的是一個以普朗克常數(shù)為基礎的公式?;締挝徊辉倥c實物關聯(lián),計量精準度的躍遷更將開啟無限可能,帶來新的認知和機遇、催生新的技術和產業(yè)。
公式為虛,質量為實,由虛到實,如何復現(xiàn)公式定義的1千克呢?記者探訪了中國計量科學研究院。
國際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等裝置復現(xiàn)千克
走進實驗室,一個像太空艙一樣的三層大鐘罩便映入眼簾?!拔磥?,我國千克的復現(xiàn)將通過這個裝置完成?!敝袊嬃靠茖W研究院電學量子基準實驗室主任李正坤說,目前國際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等試驗裝置來復現(xiàn)千克,我國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量環(huán)境。鐘罩內,置入水平徑向磁場的懸掛線圈通過后將產生電磁力,穩(wěn)穩(wěn)托起被稱砝碼,使得測力傳感器讀數(shù)保持不變。“這樣,我們就建立起機械量與電學量之間的關系,計算出電磁力,即可推導出砝碼的質量?!崩钫ふf。
聽起來似乎并不難?李正坤卻說,電磁力的測量也不簡單。從2007年開啟研究,團隊花費了大量精力,才成功研制出一套互感精密測量系統(tǒng),將互感量溯源到量子化霍爾電阻和時間標準。
研究人員正在調試能量天平試驗裝置。(中國計量科學研究院供圖)
體現(xiàn)在實物上,大鐘罩邊上整齊排列著4個機柜,每個柜子內放著各種儀器。電磁力的計算涉及多個電學量的測量,需要多種測量儀器,有些可以使用商用儀器,有些用于信號控制、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,國際計量局將組織一次國際比對,看看哪個國家將千克復現(xiàn)得更準。比對時將把各國的測量結果進行加權平均,哪個國家的測量值離平均值更近,就意味著復現(xiàn)能力更強。權重則依據(jù)各國裝置的測量穩(wěn)定性確定,穩(wěn)定性越高、誤差越小,權重就越大。
“從現(xiàn)在起到9月,是我們對設備的調校期,希望參加比對時,我國能量天平裝置的誤差能縮小至10-8量級?!?李正坤說,這就好比世界一級方程式錦標賽,各個車隊所采用的發(fā)動機、車體材料、車體形狀等基本相同,比拼的是對車輛的調校能力,誰能將性能調到最優(yōu),誰獲勝的可能性就越大。
為了降低能量天平的測量不穩(wěn)定性,研究團隊盡力把每個因素都考慮到位。為裝置設置防震溝,以防微小振動對測量結果產生影響;鐘罩框架采用大理石加工而成,千年形成的花崗巖結構穩(wěn)定,既結實又不會產生放射性物質,構建實驗環(huán)境最為理想;采用永磁體代替電磁體產生磁場,以防發(fā)電線圈發(fā)熱導致測量環(huán)境溫度升高,測量結果產生偏差……
能量天平方案是我國獨創(chuàng)的方案,我國也是世界上唯一采用能量天平方案的國家。與主流功率天平方案相比,能量天平整個測量過程都是靜態(tài)的,避免了功率天平的動態(tài)測量問題。
以實物為基準的量值已不能適應精密測量的需要
以前,我們將國家的千克原器送到位于法國的國際計量局和大K比對,回國后再根據(jù)比對結果對國內的千克原器進行修正。舉個例子,1963年我國有了第一顆國家千克原器,此時它與大K質量相等,同為1千克。假設,40年后,2003年,將我國國家千克原器與大K比對時發(fā)現(xiàn)我國國家千克原器比大K重了0.00001千克,則原本我國記錄的1千克物品質量都須變?yōu)?.00001千克。
現(xiàn)在,能量天平裝置可以準確測出所有砝碼的質量,通過砝碼,即可衡量所有物品的質量。而不擁有千克復現(xiàn)能力的國家,只能委托其他國家進行測量,容易處于被動狀態(tài)。
“這將節(jié)約大量的成本。以前,每隔一段時間,我國國家千克原器就得前往國際計量局進行比對,為防止發(fā)生空難導致國家千克原器受損,我國的兩顆國家千克原器還須乘坐不同的航班前往法國,成本高昂?,F(xiàn)在,國際計量局只需8—10年舉行一次國際比對即可?!崩钫ふf。
新的國際單位制還將讓我們對自然界有新的認識,帶來新的機遇,從而催生新的產業(yè)。100多年來,科學家之所以探索國際單位制的變革,是因為以實物為基準向世界傳遞量值,已經越來越不適應精密測量的需要。