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“不变”的“巨变” 国际单位制完成量子化变革

2019-05-21 09:10:43

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  “不变”的“巨变”

  用常数替代实物 国际单位制完成量子化变革

  本报记者 陈 瑜 翟冬冬

  “新的国际单位制从今天开始正式实施,计量开启蓬勃发展全新时代。”

  5月20日一大早,中国原子能科学研究院国防科技工业电离辐射一级计量站副研究员宋明哲就在朋友圈发文,纪念有特别意义的2019年国际计量日。

  基本单位全部由常数定义

  在2018年召开的第26届国际计量大会上,经包括中国在内的53个成员国集体表决,全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。根据决议,质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”等4个SI基本单位的定义由常数定义。决议于2019年国际计量日——5月20日正式生效。

  加之此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义,至此,国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。中国计量科学研究院院长方向介绍,国际单位制规定的7个基本单位,好比7块彼此独立又相互支持的“基石”,构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其他单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特等,都可以通过7个基本单位导出。

  “这是测量科学迈出的关键一步,可以说计量正式迈入了量子时代。”国防科技工业电离辐射一级计量站主任刘蕴韬评价,这是自米制公约诞生后,计量世界中最重大的、革命性的事件。

  日常测量没有明显变化

  一直以来,全世界都依赖一块铂铱合金圆柱体——国际千克原器(IPK)来定义“千克”。

  IPK及其复制品19世纪末20世纪初制成,在当时满足了对计量基准准确度及稳定性的要求。但实物基准制成后,总有一些不易控制的物理、化学过程,使其特性发生缓慢变化,因而保存的量值也有改变。

  国际计量局官方数据显示,100年间,各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准与IPK的一致性共发生了约0.05 毫克的变化。但IPK质量究竟变化了多少至今仍然是个谜。

  “用基本物理常数普朗克常数重新定义千克后,质量基本单位更加稳定,量值传递更加可靠,不必再考虑IPK质量是否发生变化,更不必担心IPK丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的毁灭性灾难。”刘蕴韬说。

  “7个基本单位全部由常数定义,可以说是‘不变’的‘巨变’。”宋明哲解释,所谓“不变”,是指计量单位实现量子化定义后,人们日常接触的测量活动没有明显区别,从超市电子秤到工业大尺寸坐标测量机,定义修订前后,测量的数值并不会发生变化。“巨变”是指随着基本量的重新定义和量子测量技术的发展,计量基准可随时随地复现。通俗地说,人们在生产生活中将能够直接应用最准的“标尺”。

  我国测量能力居世界第三

  计量单位的重新修订,可能对人们生产生活产生巨大影响。

  宋明哲以已率先完成量子化定义的“秒”举例说,1967年以前,“秒”的定义是平太阳日1/86400的时间长度,1967年量子化定义后,“秒”的精确度提高了1000万倍,引发卫星导航定位革命,成就了数万亿美元的定位和服务市场。“现在人们日常用的地图导航、打车软件、共享单车等,都是‘秒’重新定义带来的丰硕成果。”

  “现代科学研究已经不局限于可视尺度,开展宇宙尺度的引力波研究、微观尺度的原子核内部问题研究等,都需要更加精确的基本量定义。”刘蕴韬告诉记者。

  国家市场监督管理总局党组成员、副局长秦宜智表示,目前,我国获国际承认的国家校准测量能力跃居世界第三位,自主可控的国家时间基准达到3000万年不差一秒,长度量子基准达到每米误差不多于50纳米,都跻身世界先进行列。在这次国际单位制量子化变革中,我国对于温度、质量的重新定义作出了重要贡献。(科技日报北京5月20日电)


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