「千克」將重新定義 對日常生活有何影響?

國際千克原器。

「對我這種平時菜市場都不進的人,應該不會有影響吧?」「我關心的是,以後買一斤肉還是不是原來那麼多?」「與菜市場的稱准不准有什麼關係?」這些是坊間有關「千克」重新定義的種種疑惑。

根據鳳凰網報導,近日,美國標準科學研究院(NIST)公布普朗克常數最精確測量值,並提交國際科學資料委員會(CODATA),明年國際度量衡委員會將以普朗克常數為基準對品質單位「千克」進行重新定義。

消息發出後,因生活中稱重無處不在,讀者們在評論區對此展開了熱烈的討論。品質單位為什麼要重新定義?究竟對我們生活會不會產生影響?有什麼樣的影響?中國大陸在此領域的研究地位如何?帶著這些讀者關切的問題,科技日報記者通過電子郵件採訪了身在法國工作的清華大學青年科學家李世松博士,他曾在NIST先後工作14個月,參與普朗克常數的精確測量研究。

不影響日常生活 只為量子應用建基準

李世松告訴記者,因千克重新定義仍以現有千克量值為標準,兩者可實現無縫連接,兩種定義下的品質單位量值能保證連續性,並且CODATA要求普朗克常數測量精度至少要達到2×10-8,千克重新定義並不會對我們的日常生活造成影響。

「採用基於普朗克常數的千克重新定義,實際上是科學家試圖建立某種品質量子基準。隨著量子物理的快速發展,以及量子電腦和量子通信等眾多先進技術的成功運用,以量子基準取代傳統的實物基準,已成為計量基準發展的新趨勢。」李世松表示,「量子基準的單位量值與物體的形狀、體積和品質等宏觀參數沒有直接關聯,這樣可避免宏觀參數的不穩定引起的量值改變,對量子技術的未來發展具有重要意義。」

李世松還以國際單位制中的「秒」為例進行了說明。他說,秒已經建立了量子基準,現在秒的準確性已經達到10-18數量級,因此被大家在日常生活中用作導航的全球定位系統(GPS)才得以高度精準地發展,並在軍事、勘測等領域獲得了廣泛應用。

重新定義千克意在保證其穩定準確

對於國際度量衡委員會為什麼要對千克重新定義,李世松博士告訴記者,現有國際單位制中的7個基本單位,除了千克,都已經改用非實物為基準。只有品質單位千克還在沿用100多年前的實物基準,其穩定性和準確性面臨著重大挑戰。

李世松介紹說,目前千克的定義是以鉑銥合金(90%鉑+10%銥)製作的砝碼(即「國際千克原器」)為基準,但其最大問題是,國際千克原器表面會吸附一些肉眼無法察覺的氣體分子和其他雜物,以及多年使用會出現磨損及劃痕等,這些外界因素會導致其品質隨著時間的推移而發生變化。這不僅會給品質單位千克帶來不確定性,與品質有關的另三個基本單位坎德拉、安培、摩爾的準確性也會連帶受到影響。因此,以普朗克常數為基準重新定義千克,成為當前國際計量界的首要任務之一。

中國大陸創新測量方法 得到國際廣泛好評

CODATA這次將要採用的普朗克常數測量資料,除了美國技術標準研究院這次提交的最精確測量,還有其他三個研究團隊的測量結果,這些結果的測量精度都達到要求的10-8和10-9量級。當記者問到中國大陸在普朗克常數的測量領域達到什麼樣的水平時,李世松博士表示,中國大陸雖然在測量精度上還需提高,但在測量方法上的創新在國際上廣受好評。

早在2006年,中國大陸計量科學研究院張鐘華院士領銜的課題組,提出了一種對目前主流方案─功率天平方案的改進方案,即「能量天平方案」,用互感量測量代替了功率天平方案中的電壓測量和速度測量,且所有測量均在靜態下實現,避免了線圈晃動帶來的測量困難。目前最新普朗克常數的精度量級已經達到10-7,距離CODATA的要求只差一個量級。

另外,張鐘華院士帶領團隊還提出了一種基於慣性品質測量的擺動周期法,該方案原理新穎,獨立於目前世界通用的兩種方案─功率(能量)天平方案和硅球方案,是精確測量普朗克常數的創新性中國大陸方案。該方案最新發表的測量結果精確度也已經達到10-5,還有巨大的提升空間。