質量單位——千克的重新定義

質量單位——千克的重新定義

質量單位千克是單位制（International System of Units，SI）的七個基本單位之一，初的定義始于1791年，它與長度單位有關，規(guī)定1立方分米的純水在4攝氏度時的質量為1千克。18世紀末期，法國科學院計劃將克作為質量基本單位，并制作實物基準器。但受工藝和測量技術所限，只能制造出質量是克的1000倍的標準器，千克原器由此而來。這也是單位制中質量單位是千克而不是克的主要原因。因此，千克成為為一帶有單位制詞頭的基本單位。1879年，英國Johnson-Matthey公司制造了3個圓柱體砝碼（KI、KII、KIII）作為千克原器的備選樣品。1880年，經(jīng)過對3個圓柱體砝碼的多次測量和校準，證明了KIII與千克檔案中記錄的質量一致。1882年，KIII作為千克原器，由計量局（BIPM）保管。1889年，屆計量大會（CGPM）將千克原器（International Prototype of Kilogram，IPK）的質量定義為1千克。

　　千克原器是一個高和底面直徑均為39毫米的正圓柱體。它由鉑銥合金制成，其中鉑含量為90%，銥含量為10%，合金密度約為21500千克/米3。鉑的穩(wěn)定性符合千克原器的要求，銥可增強其耐腐蝕性。

　　1889年，BIPM共復制了40個與IPK同樣尺寸的鉑銥合金圓柱體砝碼，經(jīng)過與千克原器比對后，BIPM把其中的一些砝碼分發(fā)給《米制公約》成員國作為國家基準（National Prototype），并保留了6顆作為復制品（Official copies）。此外，BIPM還保留了一些復制品作為工作基準以及特殊用途的基準。在第二次世界大戰(zhàn)前，擁有千克原器復制件被視為國家榮耀；在二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)勝國對戰(zhàn)敗國的懲罰之一就是奪取其千克原器的復制件。截至2016年，BIPM制造的千克原器共110個。

　　從1889年到1989年的100年間，BIPM以IPK為參考對BIPM保存的6顆復制品和各個會員國的國家基準進行了3次周期比對驗證。比對結果表明，6顆作證基準及其質量值變化了50微克。作為實物基準的千克原器的穩(wěn)定性受到科學家們的質疑，科學家們開始致力于質量單位的重新定義。有科學家提出，可以使用自然界中的基本物理常數(shù)來重新定義質量單位。因為這些物理常數(shù)的定義不會改變，用它們來定義包括千克在內的基本單位，就再也不用擔心隨時間推移會影響單位的量值了。

　　2013年，質量及其相關量咨詢委員會制定了千克重新定義的路線圖，給出了千克重新定義需要滿足的4個條件，起草了千克重新定義的指南，希望在2018年計量大會上采用普朗克常數(shù)重新定義千克。

二 重新定義后帶來的影響

　　質量是物理學中基本的概念之一，它的內涵隨著科學的發(fā)展而不斷完善。大至天體和星系的宏觀世界，小至原子和基本粒子的微觀世界，凡是物質都具有質量。

　　用恒定不變的量——普朗克常數(shù)重新定義千克后，使質量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，不再擔心千克原器丟失、損壞給質量量值統(tǒng)一帶來毀滅性的災難。重新定義“千克”意味著科學技術的發(fā)展可使質量測量變得更科學、更合理、更。從科學的角度來看，質量測量在航空航天、智能交通、高速鐵路、汽車制造、生物醫(yī)藥、化學制品、半導體材料、火箭配藥等領域都起著至關重要的作用。

　　計量委員會（CIPM）于2005年起草了關于采用基本物理常數(shù)定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)h、波爾茲曼常數(shù)k、阿伏伽德羅常數(shù)NA等基本物理常數(shù)定義質量單位kg、溫度單位K和物質的量單位mol，從而改變基本單位自有定義以來，依賴于實物的歷史。第24屆計量大會正式批準7個基本單位定義在基本常數(shù)上的建議。

　　采用SI基本單位的新定義后，基本物理常數(shù)將與真空中的光速一樣，成為*常數(shù)。基本物理常數(shù)的不確定度整體上會有很大提升，這對于科學研究和社會方方面面將帶來很多影響。

　　根據(jù)計量委員會單位制委員會（CCU）的建議，千克的新定義為：千克，符號kg，是質量的SI單位。它采用普朗克常數(shù)h的固定數(shù)值6.62607015×10-34定義，其單位為Js，等于kg m2 s-1，其中米和秒是依據(jù)c和ΔνCa定義。即1千克為“對應普朗克常數(shù)為6.6260701475×

10-34Js時的質量”。

　　目前全面實現(xiàn)計量單位量子化定義的條件已經(jīng)基本具備，第26屆計量大會將于2018年11月對新的計量單位定義進行表決。表決通過后，2019年5月20日“世界計量日”起將正式實施全面重新定義的計量單位制。

三 我國為應對千克重新定義開展的研究

　　根據(jù)千克重新定義指南的描述，千克重新定義涉及兩方面的重點研究工作，一方面是量值復現(xiàn)研究，另一方面是量值傳遞研究。

　　針對普朗克常數(shù)的精密測量及千克單位的重新定義，目前上占主流的方案有兩種：

　　1.基于電學量子基準（量子化霍爾電阻基準、約瑟夫森量子電壓基準）測定普朗克常數(shù)h的“功率天平”方案。

　　2.X射線單晶密度法（硅球方案）測定阿伏伽德羅常數(shù)NＡ，進而也可得到普朗克常數(shù)h的量值。

　　功率天平方案由英國國家物理實驗室（NPL）的Kibble博士于1975年提出，此后，陸續(xù)有美國國家標準與技術研究院（NIST）、瑞士計量院（METAS）、法國計量院（LNE）、計量局（BIPM）和加拿大（NRC）等采用功率天平方案開展研究，歷時10~30年不等。近年來，新西蘭、韓國、土耳其也開展了類似的研究，德國計劃于近期開始“功率天平”項目的研究，英國NPL于2009年將其研制的“功率天平”裝置轉讓給了加拿大NRC，近期NPL計劃重啟該項目的研究。這說明上對于千克單位的重新定義非常重視和關注。鑒于千克單位重新定義這項工作的難度，它被Nature雜志評為當今世界的六大科學難題之一。

　　我國積極參與這一重大變革，否則將來無法獨立復現(xiàn)質量單位，而需要溯源到其他國家，造成我國技術主權的不完整。為應對這一重大變革，張鐘華院士團隊于2006年提出了一種基于電磁能量與機械勢能平衡的“能量天平”新方案，其特點是測量結果只與天平中線圈的靜態(tài)位置有關，而線圈運動過程中產生的動態(tài)誤差則可被消除。由于我們采用了不同原理的方案而備受關注，采用不同原理的方案進行測試并相互驗證是科學研究中經(jīng)常采用的方法，如果測量結果能夠在不確定度允許的范圍內一致，將更有說服力。

　　2007年，在國家科技部支撐計劃的支持下，能量天平項目開始原型驗證階段的研究。于2011年研制成原型驗證裝置，經(jīng)一系列優(yōu)化改進后，不確定度達到2.6×10-6，完成了能量天平的原理驗證。2013年中期起，項目組在前期經(jīng)驗的基礎上，開始第二代能量天平試驗裝置的研制，于2016年完成新裝置全部硬件、軟件系統(tǒng)的研制和調試，并實現(xiàn)了真空測量。2017年5月，向科學數(shù)據(jù)委員會基本物理常數(shù)任務組（CODATA TGFC）提交了測量結果，不確定度為2.4×10-7。

　　自2007年以來各國陸續(xù)發(fā)布測量結果，其中2017年各國發(fā)表的數(shù)據(jù)中，加拿大NRC的不確定度為9.1×10-9，美國為1.3×10-8，以德國為主導的IAC采用新硅球得到的不確定度為1.2×10-8，日本NMIJ的不確定度為2.4×10-8。我國在2017年5月提交的測量結果不確定度為2.4×10-7，與國外相比有一定差距。該項目的研究人員目前正在抓緊研究，預期在近2~3年內可達到10-8量級的不確定度水平。

　　千克重新定義使用的功率天平法、能量天平法、X射線晶體密度法等都是在真空條件下實現(xiàn)普朗克常數(shù)的測量，與空氣中質量量值傳遞方法有著本質的區(qū)別。為了在千克重新定義后，在真空條件下更、更可靠地完成質量量值傳遞工作，中國計量科學研究院質量實驗室從2013年開始致力于質量單位重新定義以后量值傳遞關鍵技術的研究。量值傳遞關鍵技術研究主要包括表面吸附研究、空氣浮力修正研究、真空傳遞關鍵技術研究、真空質量測量關鍵技術研究等。2016年年底自主研制了砝碼表面吸附測量裝置、空氣浮力修正裝置和真空質量測量裝置，實現(xiàn)了真空條件下1千克砝碼的測量不確定度優(yōu)于3.0×10-8。

質量單位——千克的重新定義