計量的準確無誤、不差毫發的重要性不言而喻。想想我們平日被短斤缺兩的買賣騙了,真是氣死人!更不要說計量,如長度、時間、溫度等,是人類生活方方面面的基礎,從日常生活到商業貿易,到建筑設計,到科學研究,再到太空探索等等。計量的基準有任何變更,將是牽一發而動全身,不容小覷。
明年,4個常用的計量單位的基準將發生變革。它們是:1)質量的單位“千克”;2)溫度的單位“開爾文”;3)電流的單位“安培”;4)物質的量的單位“摩爾”。2018年11月,國際度量衡大會在法國舉行,將重新定義國際單位制(SI),取代現行的國際單位制的定義。 為什么要重新定義國際單位? 在這4個現行的國際單位中,只有質量單位“千克”是用實際物體來定義的。定義“千克”的是一塊標準砝碼,稱作“國際千克原器”,它用90%鉑和10%銥制作,存放在法國國際標準局保險箱內的。但這種實物基準易受環境影響,法國的國際千克原器過去100多年來增重了50微克,相當于一個直徑為0.4毫米的小沙粒,這導致了與質量有關的測量出現偏差,不能滿足現代高精尖科技發展的需求。 國際千克原器(作為一千克的基準)。它放在真空封存的三層玻璃罩內。全球還有許多復制品,作為各國自己校正單位的標淮。
怎樣重新定義國際單位? 因此,明年的國際度量衡大會將放棄實物基準,放棄國際千克原器,改用自然常數——普朗克常數作為基準,重新定義質量單位。普朗克常數用字母“h”來表示,相當于兩個粒子能夠交換的最小能量包或稱量子。 美國技術標準局的瓦特天平,用于測量普朗克常數
余下的3個單位,開爾文、摩爾、安培,也將改用自然基本常數來定義:用玻爾茲曼常數定義開爾文,用阿伏加德羅常數定義摩爾,用基本電荷常數定義安培。
為什么用量子作為新基準? 一方面,20世紀以來量子科學的飛速發展,為建立更準確的計量基準提供了基礎。
另一方面,許多基本物理常數在實驗中表現是不變的,用它來定義計量基準可達到極高的穩定性。 一個典型的例子:真空中的光速是不變的,光在真空中的傳播速度c就是一個基本物理常數。因此在1983年,國際單位“米”被光速基本常數(c)所取代,即光在真空中1/c秒內所經路程的長度,這樣定義的長度計量基準原則上可以達到與時間基準相當的穩定度。
我們的生活會受到影響嗎? 當普朗克常數用來表示質量時,我們的日常生活不會受到影響,比如:買半公斤胡蘿卜、500毫克阿司匹林、一艘5萬噸的游船等,千克仍然是千克,因為我們這時算的都是“大數”。
但對專業實驗室的高精檢測,以及需要精確測量的工業制造領域來說,國際單位的新基準將發揮無比重要的作用。例如:它有助于開發出更先進、更精準的工業溫度計,用于核動力堆等的尖端領域。
另外,中國計量院黨委書記兼副院長段宇寧說,“國際單位重新定義后,量子基準將取代實物基準,基本單位可實現獨立復現、不再依賴于國際計量局。這將徹底改變世界計量格局。未來,國際計量局將不再是世界量值的唯一源頭,主要發達國家和新興發展中國家計量院將成為國際計量‘多中心’格局的主體。”
附:新舊國際單位定義對比(下圖)。
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