千克、安培、摩爾和開(kāi)爾文被重新定義？一文讀懂來(lái)龍去脈！

11月13至16日，由計(jì)量局(BIPM)組織的第26屆計(jì)量大會(huì)(CGPM)在法國(guó)凡爾賽召開(kāi)。大會(huì)終對(duì)“修訂單位制(SI)”的1號(hào)決議進(jìn)行了表決。7個(gè)SI基本單位中的4個(gè)改由自然常數(shù)來(lái)定義，并于2019年5月20日起正式生效。新定義將保證SI的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并使復(fù)現(xiàn)單位的方法向更好、更新的技術(shù)開(kāi)放。

　　為什么要使用單位制?

　　單位制，也是常說(shuō)的米制或公制，想必大家都有一些概念，但是它被廣泛被采用的原因是什么呢?各個(gè)國(guó)家之間進(jìn)行貿(mào)易活動(dòng)，那必然涉及到貿(mào)易產(chǎn)品的數(shù)量是多少的問(wèn)題。比如說(shuō)，我們國(guó)家要出口給美國(guó)一批鋼材，價(jià)錢(qián)談好了，例如一噸是800美元，接下來(lái)要進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的話，就要確定這批鋼材有多少噸。這里就會(huì)涉及一個(gè)測(cè)量問(wèn)題，即是用中國(guó)的秤還是美國(guó)的秤來(lái)確定這批鋼材的質(zhì)量，或者說(shuō)誰(shuí)的秤更準(zhǔn)、更公平。為了避免貿(mào)易摩擦，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，單位制(International System of Units，SI)應(yīng)運(yùn)而生。在單位制中，明確規(guī)定了1千克到底應(yīng)該多重。貿(mào)易雙方可以都加入這個(gè)體系，然后用單位制中所規(guī)定的1噸標(biāo)準(zhǔn)(1000千克)來(lái)稱量這批鋼材，如此，就避免了可能的貿(mào)易糾紛，當(dāng)然也就促進(jìn)了不同國(guó)家間的貿(mào)易活動(dòng)。換句話說(shuō)，單位制的地位相當(dāng)于貿(mào)易的第三方，或者是裁判員，保證了交易的公平公正。

　　再舉一個(gè)在科學(xué)研究方面的例子。1998年12月11號(hào)，火星“觀察者”號(hào)飛船由美國(guó)宇航局發(fā)射升空后不明原因地神秘失蹤。直至6年后，美國(guó)宇航局才找到了飛船失蹤的原因：原來(lái)，美國(guó)洛克希德—馬丁公司在研制飛船時(shí)將一部分工作轉(zhuǎn)包給了英國(guó)的一家公司。而該公司負(fù)責(zé)項(xiàng)目的工程師使用了英國(guó)的計(jì)量單位(英制)，而不是美國(guó)宇航局所使用的單位制。兩套單位之間的差異，導(dǎo)致觀察者號(hào)在計(jì)算和測(cè)量控制參數(shù)時(shí)出現(xiàn)了顯著偏差，并在隨后出現(xiàn)航行錯(cuò)誤，導(dǎo)致軌道器終進(jìn)入低高度軌道并被大氣壓撕毀。要知道，火星觀察者號(hào)的造價(jià)是一億兩千五百萬(wàn)美元!顯然，如果兩個(gè)合作方采用的是統(tǒng)一的單位，這樣的悲劇就不會(huì)發(fā)生。這個(gè)例子更從側(cè)面說(shuō)明了單位制在*范圍內(nèi)的統(tǒng)一對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要意義。

圖：觀察者號(hào)火星探測(cè)器在墜毀之前的照片　(圖片來(lái)源：維基百科)

　　單位制是如何發(fā)揮作用的?

　　單位制共有7個(gè)基本單位，分別是米、秒、千克、安培、摩爾、開(kāi)爾文和坎德拉。由這7個(gè)基本單位可以導(dǎo)出其他所有的單位。因此，要維持單位制本身的穩(wěn)定性，必須要對(duì)這7個(gè)SI基本單位設(shè)立一種不隨時(shí)間、環(huán)境等因素發(fā)生變化的定義，確保SI單位基本量值的穩(wěn)定性。實(shí)際上，單位制建立的一個(gè)基本宗旨就是：For all time, for all people，即能在任何時(shí)間能為任何用戶提供“高標(biāo)準(zhǔn)”。

　　在溯源體系方面，傳統(tǒng)基于實(shí)物基準(zhǔn)的定義，如千克，呈現(xiàn)金字塔狀的溯源結(jié)構(gòu)。在金字塔的頂端是保存在計(jì)量局的千克原器，而各個(gè)國(guó)家的千克基準(zhǔn)，都要定期送到計(jì)量局進(jìn)行校準(zhǔn)。如此，計(jì)量局在基本單位的實(shí)物基準(zhǔn)定義的單位量值傳遞方面便具有了核心地位。

　　然而，近幾十年來(lái)，量子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展打破了計(jì)量局在量值溯源方面的核心地位。例如，目前在計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用成功的量子基準(zhǔn)——原子鐘，復(fù)現(xiàn)SI基本單位秒的定義準(zhǔn)確性已經(jīng)進(jìn)入10-18量級(jí)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的導(dǎo)航、衛(wèi)星成像技術(shù)廣泛應(yīng)用在人們的生活之中，取得了巨大的成功。如今，在很多國(guó)家的計(jì)量院都建立了的原子鐘用于對(duì)秒定義的復(fù)現(xiàn)，這些復(fù)現(xiàn)的裝置本身基于量子效應(yīng)，復(fù)現(xiàn)值與基本物理常數(shù)直接掛鉤。各個(gè)國(guó)家也就不用把本國(guó)的原子鐘送到計(jì)量局校準(zhǔn)，因?yàn)榛诹孔蝇F(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)自身就具有的準(zhǔn)確性。給計(jì)量局“去核心化”也是本次基本單位變革的主要目標(biāo)之一。

　　本次單位制變革的主要內(nèi)容是什么?

　　第26屆計(jì)量大會(huì)在2018年11月16日通過(guò)決議，決定對(duì)4個(gè)SI基本單位進(jìn)行重新定義，即分別采用普朗克常數(shù)、基本電荷量、阿伏伽德羅常數(shù)和玻爾茲曼常數(shù)來(lái)分別重新定義基本單位千克、安培、摩爾和開(kāi)爾文。新定義正式實(shí)施時(shí)間為2019年計(jì)量日(5月20日)。

　　用于重新定義的4個(gè)基本物理常數(shù)值由科學(xué)數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)根據(jù)世界各主要實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果評(píng)差確定，4個(gè)常數(shù)的終數(shù)值分別為：

圖：SI基本單位和用于定義的基本物理常數(shù)(圖片來(lái)源：計(jì)量局)

　　在新定義實(shí)施之前，這四個(gè)SI基本單位的定義分別是：千克等于千克原器的質(zhì)量;安培是一恒定電流，若它保持在處于真空中相距1米的兩根無(wú)限長(zhǎng)而橫截面大小可被忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)，則這兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生的力在每米長(zhǎng)度上等于2×10-7牛頓;摩爾所包含的基本單元數(shù)與0.012千克碳12的原子數(shù)目相等;開(kāi)爾文等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。

　　為什么要重新定義、實(shí)物基準(zhǔn)及其缺點(diǎn)?

　　質(zhì)量千克的量值，是用保存在計(jì)量局的一個(gè)砝碼來(lái)確定的——千克原器(International prototype of kilogram，IPK)。之所以用這個(gè)砝碼來(lái)定義質(zhì)量的單位千克，是因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)鉑銥合金(90%鉑+10%銥)相對(duì)于其他的合金材料密度大且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。采用鉑銥合金砝碼定義千克的決議是在1889年召開(kāi)的第1屆計(jì)量大會(huì)上通過(guò)的。

圖：千克原器(圖片來(lái)源：計(jì)量局)

　　千克采用千克原器定義后，計(jì)量學(xué)家們十分關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是：這樣的定義到底有多穩(wěn)定?會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生漂移嗎?這個(gè)問(wèn)題在定義質(zhì)量單位千克之初就被提了出來(lái)。在1889年進(jìn)行千克定義時(shí)，計(jì)量局共制作了7個(gè)鉑銥合金千克砝碼，其中里之前千克定義量值近的一個(gè)，用于質(zhì)量單位千克的定義，即千克原器。而其他6個(gè)采用同種材料、同種工藝制作的砝碼，則作為副基準(zhǔn)，用于檢查彼此之間是否存在隨時(shí)間變化的漂移。從1889年千克定義到今天，千克原器與6個(gè)副基準(zhǔn)之間的量值比對(duì)試驗(yàn)共進(jìn)行了4次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6個(gè)副基準(zhǔn)的平均量值相對(duì)于千克原器，在100多年的時(shí)間里變化了約50微克，即相對(duì)于1千克變化了約5×10-8。而測(cè)定該變化量的前提是假定千克原器的量值是穩(wěn)定的(定義)，因此，是進(jìn)行的相對(duì)測(cè)量。而對(duì)千克的量變化，既無(wú)法測(cè)量，也無(wú)人知曉。從這一點(diǎn)上來(lái)講，千克基于千克原器質(zhì)量的定義不是“for all time”，因?yàn)榍Э说膶?shí)際量值可能已經(jīng)隨時(shí)間發(fā)生了變化。

圖：千克原器與6個(gè)復(fù)制品比對(duì)結(jié)果(橫坐標(biāo)為比對(duì)年份，縱坐標(biāo)為砝碼質(zhì)量差值[微克])

　　千克用千克原器定義后，千克原器就被保存在計(jì)量局。為了保證千克原器的安全，用于保存千克原器的裝置外設(shè)置了3把鎖，鑰匙交由3個(gè)不同的重要人物保管，分別是計(jì)量局局長(zhǎng)、計(jì)量咨詢委員會(huì)主席和法國(guó)檔案部部長(zhǎng)。從這點(diǎn)上看，基于千克原器的千克定義也不是“for all people”。

　　應(yīng)特別注意7個(gè)SI基本單位的定義之間并不是彼此獨(dú)立的，千克量值的不穩(wěn)定性，還會(huì)影響SI其他基本單位的量值。例如，在上述的基本單位定義中，電流單位安培的定義用到了導(dǎo)出單位牛頓，而牛頓這個(gè)單位中就包含質(zhì)量單位千克。再例如，摩爾的定義中也用到了千克。現(xiàn)有的千克量值基準(zhǔn)存在的緩慢變化，雖然說(shuō)現(xiàn)階段還不足以影響人們的日常生活，但其長(zhǎng)期積累的效應(yīng)，無(wú)疑會(huì)影響計(jì)量制體系的穩(wěn)定性，并且會(huì)對(duì)精密科學(xué)研究產(chǎn)生不良影響。

　　采用了新定義后的好處是什么?

　　基于基本物理常數(shù)重新定義SI的上述基本單位，重要的進(jìn)步，是使得基本單位的量值具有了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。至少，目前已有的科學(xué)試驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)基本物理常數(shù)在宇宙形成后曾發(fā)生過(guò)顯著變化，即便有微小的變化，這種變化在人類存在的歷史中也*可以忽略不計(jì)。基于基本物理常數(shù)定義SI的基本單位，就是要使對(duì)基本單位量值的復(fù)現(xiàn)變得不再受時(shí)間、地點(diǎn)以及環(huán)境的限制。打個(gè)比方，質(zhì)量的單位千克采用普朗克常數(shù)重新定義后，我國(guó)若建立了達(dá)到先進(jìn)水平的普朗克常數(shù)與砝碼質(zhì)量的精密測(cè)量試驗(yàn)裝置，那么，我們國(guó)家的千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼，就不需要再送到計(jì)量局去進(jìn)行校準(zhǔn)了。不僅如此，原則上我們的裝置測(cè)量準(zhǔn)確性得到*的話，還能為其他國(guó)家提供校準(zhǔn)的服務(wù)。

　　千克單位新定義具有開(kāi)放性，還允許人們?cè)诩依锝ㄔ熳约旱捻来a校準(zhǔn)裝置。例如，我兩年多前在美國(guó)工作期間，一個(gè)同事Leon.Chao，就自己用樂(lè)高拼塊制作了一架功率天平裝置，并成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)克量級(jí)砝碼優(yōu)于1%的校準(zhǔn)。

圖：美國(guó)計(jì)量院Leon Chao搭建的樂(lè)高版功率天平(圖片來(lái)源：美國(guó)物理聯(lián)合會(huì))

　　采用基本物理常數(shù)重新定義SI基本單位，這對(duì)基本單位量值保持連續(xù)性也意義非凡。以前人們對(duì)實(shí)物基準(zhǔn)，總擔(dān)心因?yàn)樘鞛?zāi)或人禍而損毀，而采用基本物理常數(shù)重新定義基本單位后，人們就無(wú)需考慮這個(gè)問(wèn)題了。并且，在以前，當(dāng)新的、更準(zhǔn)確的計(jì)量技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致基本單位的定義要被修改。例如，質(zhì)量單位千克在被定義為千克原器的質(zhì)量之前，還曾被定義為1升水的質(zhì)量。采用基本物理常數(shù)定義SI基本單位后，可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)避免基本單位的定義被反復(fù)修改。而且未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，只會(huì)不斷提升單位量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，但不會(huì)輕易改變基本單位的定義。另外，上述4個(gè)SI基本單位的重新定義，也會(huì)使得SI七個(gè)基本單位的定義具有統(tǒng)一的形式。

　　與SI基本單位定義相對(duì)應(yīng)，基本物理常數(shù)體系在本次SI單位制修訂中也會(huì)產(chǎn)生重要的變化。普朗克常數(shù)、基本電荷量、阿佛加德羅常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)的數(shù)值被確定下來(lái)后，很多與之相關(guān)的基本物理常數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確性也會(huì)發(fā)生重要變化。但總體來(lái)講，新單位體制下的基本物理常數(shù)體系將更為精密，其測(cè)量不確定度也將變得更小。

　　這次基本單位修訂會(huì)對(duì)人們生活有什么影響嗎?

　　本次SI基本單位修正的基本原則，是保證基本單位量值的連貫性，即保證新的定義對(duì)人們生活產(chǎn)生的影響小。應(yīng)該說(shuō)，本次SI基本單位定義的修訂，是過(guò)去幾十年來(lái)大量科技人員努力奮斗的結(jié)果。在此之前，物理學(xué)家、計(jì)量學(xué)家等在共同努力希望做得更好一件事情，就是將這些用于SI基本單位定義的基本物理常數(shù)的量值測(cè)準(zhǔn)。而在此測(cè)量過(guò)程中，必須保證所使用的相關(guān)基準(zhǔn)能夠*溯源到現(xiàn)有的SI基本單位定義上。例如，測(cè)量普朗克常數(shù)所使用的砝碼，必須要能溯源到千克原器上。這樣做的目的，就是保證在重新定義后，SI基本單位的量值在新、舊定義中是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生跳變。簡(jiǎn)單地說(shuō)，本次SI基本單位制的修訂，不會(huì)對(duì)人們的基本生活產(chǎn)生影響。

　　這次SI基本單位修訂有缺點(diǎn)嗎?

　　本次SI基本單位修訂也存在一個(gè)小缺點(diǎn)，即對(duì)中小學(xué)的科普可能存在一些困難。例如，未來(lái)千克的定義為(還沒(méi)有表述)：千克是使得普朗克常數(shù)準(zhǔn)確等于6.62607015×10-34焦耳*秒的質(zhì)量。顯然，相對(duì)于之前的實(shí)物基準(zhǔn)定義，如何將普朗克常數(shù)與砝碼在一起，中小學(xué)生在理解上可能會(huì)有一定困難。個(gè)人認(rèn)為，簡(jiǎn)單的理解，也需要用到愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程和普朗克輻射，即mc2=hf(m為質(zhì)量，c為真空中的光速，h為普朗克常數(shù)，f為輻射頻率)。因此，在未來(lái)，將這些新定義轉(zhuǎn)化成易懂、深入淺出的物理解釋或描述，也是一件十分重要且必須要做好的事情。

千克、安培、摩爾和開(kāi)爾文被重新定義？一文讀懂來(lái)龍去脈！