为啥重新定义基本单位

沐鸣平台 2019年05月21日 06:40:14 阅读:79 评论:0

  研究人员正在调试能量天平试验装置。
  中国计量科学研究院供图

  核心阅读。

  5月20日,第二十个世界计量日,新修订的国际单位制体系正式生效。“秒”“米”“千克”“安培”“开尔文”“摩尔”“坎德拉”将全部以常数定义,全新的测量体系正式启用。基本单位不再与实物关联,计量精准度的跃迁更将开启无限可能,带来新的认知和机遇、催生新的技术和产业。

  5月20日,全球将采用新的国际单位制,“千克”“秒”“米”等7个基本单位全部从实物原器改为常数定义,这是国际单位制自1963年创立以来最重大的变革。其中,全球砝码量值的源头――国际千克原器大K也随之正式卸任。根据新定义,“掌管”千克的是一个以普朗克常数为基础的公式。

  公式为虚,质量为实,由虚到实,如何复现公式定义的1千克呢?记者探访了中国计量科学研究院。

  国际上主要采用功率天平、能量天平、压力天平等装置复现千克。

  走进实验室,一个像太空舱一样的三层大钟罩便映入眼帘。“未来,我国千克的复现将通过这个装置完成。”中国计量科学研究院电学量子基准实验室主任李正坤说,目前国际上主要采用功率天平、能量天平、压力天平等试验装置来复现千克,我国选用的是能量天平方案。

  李正坤介绍,钟罩外观是为了提供真空的测量环境。钟罩内,置入水平径向磁场的悬挂线圈通过后将产生电磁力,稳稳托起被称砝码,使得测力传感器读数保持不变。“这样,我们就建立起机械量与电学量之间的关系,计算出电磁力,即可推导出砝码的质量。”李正坤说。

  听起来似乎并不难?李正坤却说,电磁力的测量也不简单。从2007年开启研究,团队花费了大量精力,才成功研制出一套互感精密测量系统,将互感量溯源到量子化霍尔电阻和时间标准。

  体现在实物上,大钟罩边上整齐排列着4个机柜,每个柜子内放着各种仪器。电磁力的计算涉及多个电学量的测量,需要多种测量仪器,有些可以使用商用仪器,有些用于信号控制、滤波、线圈位置和姿态锁定等功能的仪器只能自行研发。

  据介绍,今年9月,国际计量局将组织一次国际比对,看看哪个国家将千克复现得更准。比对时将把各国的测量结果进行加权平均,哪个国家的测量值离平均值更近,就意味着复现能力更强。权重则依据各国装置的测量稳定性确定,稳定性越高、误差越小,权重就越大。

  “从现在起到9月,是我们对设备的调校期,希望参加比对时,我国能量天平装置的误差能缩小至10-8量级。” 李正坤说,这就好比世界一级方程式锦标赛,各个车队所采用的发动机、车体材料、车体形状等基本相同,比拼的是对车辆的调校能力,谁能将性能调到最优,谁获胜的可能性就越大。

  为了降低能量天平的测量不稳定性,研究团队尽力把每个因素都考虑到位。为装置设置防震沟,以防微小振动对测量结果产生影响;钟罩框架采用大理石加工而成,千年形成的花岗岩结构稳定,既结实又不会产生放射性物质,构建实验环境最为理想;采用永磁体代替电磁体产生磁场,以防发电线圈发热导致测量环境温度升高,测量结果产生偏差……。

  能量天平方案是我国独创的方案,我国也是世界上唯一采用能量天平方案的国家。与主流功率天平方案相比,能量天平整个测量过程都是静态的,避免了功率天平的动态测量问题。

  以实物为基准的量值已不能适应精密测量的需要。

  以前,我们将国家的千克原器送到位于法国的国际计量局和大K比对,回国后再根据比对结果对国内的千克原器进行修正。举个例子,1963年我国有了第一颗国家千克原器,此时它与大K质量相等,同为1千克。假设,40年后,2003年,将我国国家千克原器与大K比对时发现我国国家千克原器比大K重了0.00001千克,则原本我国记录的1千克物品质量都须变为1.00001千克。

  现在,能量天平装置可以准确测出所有砝码的质量,通过砝码,即可衡量所有物品的质量。而不拥有千克复现能力的国家,只能委托其他国家进行测量,容易处于被动状态。

  “这将节约大量的成本。以前,每隔一段时间,我国国家千克原器就得前往国际计量局进行比对,为防止发生空难导致国家千克原器受损,我国的两颗国家千克原器还须乘坐不同的航班前往法国,成本高昂。现在,国际计量局只需8―10年举行一次国际比对即可。”李正坤说。

  新的国际单位制还将让我们对自然界有新的认识,带来新的机遇,从而催生新的产业。100多年来,科学家之所以探索国际单位制的变革,是因为以实物为基准向世界传递量值,已经越来越不适应精密测量的需要。

  “虽然对普通大众而言,生活中的1千克没有改变。但需要精确质量测量的大气污染测量和制药领域,将迎来新的机遇。”中国计量科学研究院院长方向说。

  方向表示,我们对不可预期的未来还应持开放态度。

  回顾过去,1967年科学家用铯原子的基态能级跃迁重新定义了秒,由天文秒改为原子秒,这才有了后来的卫星导航系统。作为第一个跨进量子大门的国际单位制,秒是准确度最高、稳定性最好、应用最广泛的基本单位,也造就了米的定义――光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。

  “这些都是在短短的30年内发生的,我们有理由对新单位制下的未来充满期待。”方向说。

  新单位制让生产一线上的仪器和量具就可以复现最高基准。

  统计数据显示,世界上72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生物学或医学奖的成果都是借助于相关尖端仪器完成的。而仪器的稳定性、可靠性又与计量息息相关。

  就以最基础的时间为例,目前全球统一使用的世界时间是协调世界时。而协调世界时又是依据全球主要国家守时钟数据加权平均,并经过闰秒调整得出的。守时钟又依赖于各个国家的国家时间频率基准。国家时间频率基准又取决于一个国家对秒的复现能力,哪个国家的铯原子钟更稳,优势就更大。目前,我国使用的铯原子钟,可以做到走3000万年不差1秒,正在研制的新一代铯原子钟有望实现1万亿年不差1秒。而这一能力,将直接影响北斗系统的竞争力。

  方向说,新的国际单位制启用后,基本单位的定义和复现方法分离,即使以后出现新技术,不必修改定义就可以做到复现的变革。其次,不依赖实物基准后,量值的传递实现了扁平化,最高基准可以直接传递到用户,中间环节传递的误差损失变得很小且非常经济。

  “有了新的单位制,生产一线上的仪器和量具就可以复现最高基准,这对于我们重新梳理和构建测量手段、测量能力,研究新的测量技术,进而提升我国的产品质量,大有好处。” 哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长谭久彬认为,过去我国在测量能力上的短板不用再一点点补齐,而是可以利用好扁平化的优势,尽快建立我国新的测量体系。“发达国家也有重建、改建测量体系的过程,如果我们抓好这次机遇,将极大地缩短追赶距离,甚至在很多方面能实现赶超。”。

  清华大学副校长尤政也表示:“中国的工业革命时间比较短,尽管我们一直奋力追赶,但是与发达国家的长期积累相比还是差距较大。国际单位制实现量子化后,可以说他们之前的基础技术优势好比‘清零’了,新的测量技术将应运而生,大家又重新回到了同一条起跑线上。”。

  《 人民日报 》( 2019年05月21日 12 版)。

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