國際千克原器正式退休，量子基準取代實物基準

科技日報實習記者 陸成寬

一千克究竟有多重？這個看似簡單的問題，科學家卻探索了百年。

11月16日，來自60多個國家的計量科學家將匯聚在法國凡爾賽，共同見證對“修訂國際部門製”的1號決議進行的表決，屆時，7個基本部門中的4個或將改由物理常數重新定義。

11月13日，由國際計量局組織的第26屆國際計量大會在法國凡爾賽開幕。在國際計量局物理計量所功率天平組工作的李世松博士正在會議現場，他在接受科技日報記者採訪時表示，本次會議是科技界期盼已久的盛會，因為會議有一項重要議程——對“修訂國際部門製（SI）”的1號決議進行表決。

16日，來自世界60多個國家的計量科學家將共同在現場見證此次表決。如果決議獲得通過，7個國際部門製基本部門中，有4個將被重新定義，屆時，7個基本部門將全部由基本物理常數定義。新國際部門體系將於2019年國際計量日（5月20日）起正式生效。這將是1875年《米製公約》簽署以來，國際測量體系面臨的最重大變革，對科技創新、產業發展影響深遠。

修訂後基本部門量值更穩定

以國際千克原器為基準的校準裝置

“這次部門修正，共涉及4個基本部門。質量部門千克將採用普朗克常數定義，電流部門安培將採用基本電荷量定義，物質的量部門摩爾將採用阿佛加德羅常數定義，溫度部門開爾文將採用玻爾茲曼常數定義。用這些不變的參考基準作為測量的基礎，意味著這些部門的定義在未來是可靠、不變的。”李世松告訴記者。

啟蒙時代起，測量界就致力於建立一個寰宇通用的測量系統。用實物作為測量基準雖然是一個可行的方式，但因為實物很容易受到人為或環境因素的損壞，穩定性會受到影響，測量界一直想要盡早摒棄這種方式。

同時，隨著高精尖科技的發展，我們也需要更穩定、準確的測量。於是，用物理常數重新定義國際基本部門的方案被提了出來。用常數的方式定義測量部門意味著這些定義將適應下一代科學發現的需要。

本次國際部門製的修訂將使所有的基本部門都建立在我們描述自然界所用的基本物理常數上。由這些自然常陣列成寰宇通用的測量基礎，將使科學界、工業界和人類社會擁有一個更加可靠、一致、全範圍（大至很大，小至很小）的測量系統。

據了解，質量部門千克的現行定義是一塊保存在國際計量局的鉑銥合金圓柱體——“國際千克原器”的質量；電流部門安培的現行定義是一恆定電流，若它保持在處於真空中相距1米的兩根無限長而橫截面大小可被忽略的平行直導線內，則這兩根導線之間產生的力在每米長度上等於2×10-7牛頓；物質的量部門摩爾的現行定義是所包含的基本單元數與0.012千克碳-12的原子數目相等；而溫度部門開爾文的現行定義則等於水的三相點熱力學溫度的1/273.16。

李世松表示，這次國際部門製修訂的主要目的，是消除現行定義中所使用的實物基準隨時間、地點、環境產生的未知漂移，建立一套與基本物理常數掛鉤，適用於自然界基本物理定律的，對相應量值的複現不受時間、地點、環境約束的國際部門新體制。

國際千克原器發生50微克漂移

由於質量部門千克是目前唯一還在使用實物基準定義的基本部門，因此科技日報記者獨家採訪了中國計量科學研究院力學與聲學計量科學研究所副所長王健研究員，請他詳細介紹有關質量部門千克的定義的來龍去脈。

王健介紹，早在1799年，科學家們就發現水在4攝氏度時的密度最為穩定，因此將4攝氏度時1立方分米水的質量定義為1千克。然而，由於以水為標準的質量既不方便又不穩定，1889年，千克又被批準由一塊採用工業革命技術打造的鉑銥合金圓柱體來定義，其中鉑含量為90%，銥含量為10%，鉑銥合金滿足了千克原器穩定性和耐腐蝕性要求。

千克用千克原器定義後，千克原器就被保存在國際計量局，用三層玻璃鍾罩保護，最外一層抽成半真空，以防止空氣和雜質進入。在為科技界服役的130年內，為保證千克原器的絕對安全，原器被保存在國際計量局的一個保險箱內，保險箱必須由三把鑰匙同時打開。這三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。

千克採用國際千克原器定義後，有個問題計量學家們十分關心：這樣的定義到底有多穩定？會隨著時間的推移發生漂移嗎？

應該說，這個問題在定義質量部門千克之初就被提了出來，例證是，在1889年進行千克定義時，國際計量局就製作了7個鉑銥合金千克砝碼，其中的一個，即國際千克原器，用於質量部門千克的定義，而其他6個採用同種材料、同種工藝製作的砝碼，則作為副基準，用於檢查彼此之間是否存在隨時間變化的漂移。

“根據國際計量局的官方數據，在1889—2014年的100多年間，其他千克原器與國際千克原器在質量一致性上發生了約50微克的變化。這表明質量部門的實物基準的穩定性存在問題，雖然50微克的變化聽起來很小，但對一些高精尖產業來講影響卻很大。”王健說。

他表示，如果使用基本物理常數取代千克實物基準，質量部門的穩定性就不會受到空間和時間的影響。因此，國際計量委員會於2005年起草了關於採用基本物理常數定義部分國際部門製基本部門的框架草案，建議採用普朗克常數定義質量部門千克，並鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關科研工作。

“在重新定義千克的過程中最關鍵的是普朗克常數的精密測量，現在測量的精準度已經達到了重新定義質量部門千克的要求。”王健強調。

國際部門製溯源體系徹底改變

在李世松看來，本次國際部門製基本部門的重新定義，是一個具有里程碑意義的事件。“這是我們人類在基本部門體系中首次徹底擺脫了實物基準，將所有基本部門的定義推向‘量子化’的關鍵一步。”李世松說。

本次國際部門製修訂，從表面而言，人們並不會看到太大變化。這好比你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但它可能已經發生了實質性的變化，使房子變得更耐久了。

李世松認為，本次基本部門修訂最重要的影響在於使國際計量體系以及未來的檢定和校準工作等發生改變。基於自然物理常數定義的國際部門製基本部門本征具有的開放性，將允許任何實驗室或個人建立直接進行國際部門製溯源的測量和校準裝置。

“在國家層面，我們如果能建立我國自己的基本部門複現裝置，就不用再定期到國際計量局去進行校準。在區域層面，我們國家如果能建立起國際公認的高準確性基本部門的複現裝置，就能夠為其他國家提供校準服務。”李世松說，“而對國際計量局而言，未來最重要的使命，除了發展自己的基本部門量值複現裝置外，還會更加注重組織不同國家參與的國際比對，以確保國際部門製基本部門量值在全世界範圍內具有一致性。”

“國際部門製基本部門重新定義以後，量子基準將取代實物基準，基本部門可實現獨立複現、不再依賴於國際計量局。這將徹底改變世界計量格局——未來，國際計量局將不再是世界量值的唯一源頭，主要發達國家和新興發展中國家計量院將成為國際計量‘多中心’格局的主體。”國際計量委員會委員、中國計量科學研究院黨委書記兼副院長段宇寧表示。