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“千克”瘦了 今天重新定义 会不会影响你买菜

来源:中投投资咨询网 2019-08-24 21:04爱投资 A-A+

  美国史上,曾发生过一起航天灾难。1999年美国向太空发射了一枚“火星气候轨道器”,然而就在即将进入预定轨道时,这一耗资巨大的探测器却突然失踪了。

  科学家苦苦查验才发现,事故系导航人员误将公制单位和英制单位数据混为一谈,导致严重导航错误,2亿美元打了水漂……。

  这次灾难无疑是统一单位制重要性的一则例证。而四年一度的国际计量大会(General Conference of Weights & Measures), 负责的主要任务便是讨论国际单位制(简称SI制)之改进及推展等事项,以及审查最新研发的量测标准。

  11月13日,第26届国际计量大会在法国巴黎拉开了序幕,此次会议将重新定义4项国际单位,其中最为引人注目的便是——千克。

  法国时间今日(16日)下午,科学家们将投票决定是否采用物理上的普朗克常数来重新定义千克。对此,在国际计量局工作的清华大学科学家李世松博士告诉红星新闻记者,“悬念不大”。

  小到日常买菜,大到航空航天,千克都是常用的计量单位。那么为何要重新定义?是否会对普通生活产生影响?以及会对科学界产生怎样的影响?对于这些疑问,李世松博士进行了详细解答。

  129岁“高龄”的砝码

  承担“衡量”全世界的重任

  据悉,从1960年起,各国开始统一采用国际单位制(SI)作为世上最普遍的标准度量衡单位系统,其中7个基本单位分别是米(长度)、秒(时间)、开尔文(温度)、安培(电流)、摩尔(物质的量)、坎德拉(发光强度)和千克(重量)。

  李世松介绍,这7个单位中目前只有千克定义是基于实物的,即“国际千克原器的质量”。

  “国际千克原器”又被称为“一千克标准物”(简称IPK),是一个存放于巴黎、如今已129岁“高龄”的砝码。1889年,经国际计量大会批准,将其作为千克单位标准物。该砝码由具有较强抗氧化性的铂铱合金制成。为避免腐蚀,砝码被放置在三层玻璃罩的容器中,最外一层被抽成半真空。

  为保证安全,保存千克原器的保险箱共有三把锁。原则上,每年国际计量咨询委员会的会议上都会将保险箱打开,以确认千克原器完好无损。

  实物基准难“呵护”

  量值中断或跳变后果严重

  李世松解释说,实物基准的最主要问题是其量值可能会随时间、保存环境等发生变化,也存在遭遇天灾人祸而被损毁的风险,造成量值的中断或跳变。据他听闻,二战期间,德军占领法国,为保证千克原器不被损毁,被秘密保存在法国一家银行的保险箱中,直至战争结束才得以返回国际计量局。

  同时,SI基本单位的定义又并非完全独立,安培和摩尔这两个单位在定义中也涉及到基本单位千克。因此,千克量值的变化将影响整个SI单位体制的稳定性,其稳定性在SI体系中至关重要。

  而在新定义下,这样的情况再也不可能发生了。

  新定义将采用普朗克常数的值定义。参与普朗克常数精确测量研究的李世松介绍,普朗克常数,是物理学中一个自然常数,而基本物理常数在自然界中具有极好的稳定性,可保证质量单位千克的长期稳定、不变。不同的国家也不必依赖于国际计量局的千克原器校准。

  国际计量委员会(CIPM)的质量及相关量咨询委员会(CCM)曾提出过十分严格的重新定义千克的条件,为了实现这些目标,世界主要计量院和计量科学家们进行了长达十多年的努力。2017年,所有测量目标全部达成,重新定义千克的时机成熟。

  关于重新定义的决议,将采用会员国投票方式确定,具体投票是在法国当地时间11月16日下午进行。但李世松表示,悬念不大。

  砝码“瘦了”一粒沙的重量

  促使科学家做决定

  “其实,想重新定义千克的想法科学界已思考很久了。”李世松说。早在1889年定义千克之时,计量学家们就担心实物基准量值会随时间而变。

  为检查千克量值到底变化多少,当初制作国际千克原器时,科学家们还用相同材料制作了6个复制品,保存条件也完全一致。每隔几十年,国际计量局就会比对这7个砝码质量间的差值。

  据李世松介绍,第三次比对发生在1989年,即千克定义被采用后的100年。结果却发现,6个复制品的质量,比千克原器大了约50微克。假定这7个砝码变化趋势一致的话,那么千克原器相对于1889年时是“变瘦”了。

  千克原器会“变瘦”的原因有很多可能。李世松表示,首先,实际千克原器的保存并非绝对的真空;其次,千克原器和复制品比对的过程中,原器与空气接触也会发生缓慢的化学反应,同时也不免会发生物理的磨损、杂质吸附等。

  50微克,相当于一粒沙,或者一枚指纹的重量,生活中微弱到可忽略不计,但在科学计算中这样的差值却有着举足轻重的影响。

  李世松认为,正是这的量值变化,让计量学家感到寻找更稳定的千克定义的紧迫性。

  重新定义不影响日常生产生活

  对科学研究意义重大

  对于重新定义千克,普通人最关心的话题便是,以后买菜或水果时,原来1公斤的东西是否会变少?是否会缺斤少两?

  对此,李世松解释说,千克的重新定义不会影响生产生活。CCM规定的重新定义需满足的条件之一,即重新定义后的量值发生跳变不会影响生产生活。

  “千克重新定义,一个最基本的原则就是保证千克量值的连续性。不能因为新定义的引入,造成量值跳变,对生活生产造成不良影响。”李世松说。

  但重新定义,对计量溯源体系及精密科学研究却具有重要影响。

  “如果将科学中的测量活动比作是一座高楼,而SI基本单位则是这座大楼的根基,”李世松向记者打比方称,如果根基发生缓慢的变化,整个大楼都会不稳,长此以往,甚至会发生严重的危险。

  基于基本物理常数的新定义,则从根源上消除SI基本单位在现行定义下量值可能变化的问题。

  李世松介绍称,以往每个国家最高级别的标准砝码,需要定期送到法国的国际计量局进行校准,以确保千克量值在世界范围内的一致性。

  然而新定义实施后,任何国家原则上都可以在本国建立起直接溯源到千克定义的复现装置,而不必再定期去国际计量局送检砝码。“而且,如果我们国家建立了高准确性的质量复现装置,还能为其他没有建立相应基准的国家提供砝码校准服务。”李世松说。

  中国科学家参与相关领域

  亦做出重要贡献

  在对普朗克常数的准确测量方面,中国计量科学研究院联合国内部分高校发展了一种能量天平方案,与世界主流方案在测量方法上有较大区别。2017年最新发表的其测量结果的不确定度,离被此次国际上确定普朗克常数量值的准确性要求仅差一点。

  但李世松预计,在未来的1-2年内,我国能量天平测量准确性预计能进入世界先进行列。另外,中国计量科学研究院与清华大学合作,还提出了一种测量原理上完全原创的普朗克常数精密测量方案,目前正在提升其测量准确性。

  此次SI单位变革,还会采用玻尔兹曼常数来定义开尔文。在玻尔兹曼常数测量方面,中国计量科学研究院的两个团队于2017年取得了两个玻尔兹曼常数测量结果,均已被国际科学数据委员会采用,这对此次国际单位制修订中确定玻尔兹曼常数的值做出了重要贡献。

关键词:千克
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