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。“秒”“米”“千克”“安培”“開(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。基本單位不再與實(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。“未來(lái)，我國(guó)千克的復(fù)現(xiàn)將通過(guò)這個(gè)裝置完成。”中國(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。“這樣，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。”李正坤說(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(chē)隊(duì)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)體材料、車(chē)體形狀等基本相同，比拼的是對(duì)車(chē)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。”李正坤說(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。
