计量单位的精确

p30900

“对我这种平时菜市场都不进的人，应该不会有影响吧？”

“我关心的是，以后买一斤肉还是不是原来那么多？”

“与菜市场的称准不准有什么关系？”……

这些是坊间有关“千克”重新定义的种种疑惑。

近日，美国标准科学研究院（NIST）公布普朗克常数最精确测量值，并提交国际科学数据委员会（CODATA），明年国际度量衡委员会将以普朗克常数为基准对质量单位“千克”进行重新定义。

消息发出后，因生活中称重无处不在，读者们在评论区对此展开了热烈的讨论。质量单位为什么要重新定义？究竟对我们生活会不会产生影响？有什么样的影响？中国在此领域的研究地位如何？带着这些读者关切的问题，科技日报记者通过电子邮件采访了身在法国工作的清华大学青年科学家李世松博士，他曾在NIST先后工作14个月，参与普朗克常数的精确测量研究。

不影响日常生活 只为量子应用建基准

李世松告诉记者，因千克重新定义仍以现有千克量值为标准，两者可实现无缝连接，两种定义下的质量单位量值能保证连续性，并且CODATA要求普朗克常数测量精度至少要达到2×10-8，千克重新定义并不会对我们的日常生活造成影响。

“采用基于普朗克常数的千克重新定义，实际上是科学家试图建立某种质量量子基准。随着量子物理的快速发展，以及量子计算机和量子通信等众多先进技术的成功运用，以量子基准取代传统的实物基准，已成为计量基准发展的新趋势。”李世松表示，“量子基准的单位量值与物体的形状、体积和质量等宏观参数没有直接关联，这样可避免宏观参数的不稳定引起的量值改变，对量子技术的未来发展具有重要意义。”

李世松还以国际单位制中的“秒”为例进行了说明。他说，秒已经建立了量子基准，现在秒的准确性已经达到10-18数量级，因此被大家在日常生活中用作导航的全球定位系统（GPS）才得以高度精准地发展，并在军事、勘测等领域获得了广泛应用。

重新定义千克 意在保证其稳定准确

对于国际度量衡委员会为什么要对千克重新定义，李世松博士告诉记者，现有国际单位制中的7个基本单位，除了千克，都已经改用非实物为基准。只有质量单位千克还在沿用100多年前的实物基准，其稳定性和准确性面临着重大挑战。

李世松介绍说，目前千克的定义是以铂铱合金（90%铂+10%铱）制作的砝码（即“国际千克原器”）为基准，但其最大问题是，国际千克原器表面会吸附一些肉眼无法察觉的气体分子和其他杂物，以及多年使用会出现磨损及划痕等，这些外界因素会导致其质量随着时间的推移而发生变化。这不仅会给质量单位千克带来不确定性，与质量有关的另三个基本单位坎德拉、安培、摩尔的准确性也会连带受到影响。因此，以普朗克常数为基准重新定义千克，成为当前国际计量界的首要任务之一。

中国创新测量方法 得到国际广泛好评

CODATA这次将要采用的普朗克常数测量数据，除了美国技术标准研究院这次提交的最精确测量，还有其他三个研究团队的测量结果，这些结果的测量精度都达到要求的10-8和10-9量级。当记者问到中国在普朗克常数的测量领域达到什么样的水平时，李世松博士表示，中国虽然在测量精度上还需提高，但在测量方法上的创新在国际上广受好评。

早在2006年，中国计量科学研究院张钟华院士领衔的课题组，提出了一种对目前主流方案——功率天平方案的改进方案，即“能量天平方案”，用互感量测量代替了功率天平方案中的电压测量和速度测量，且所有测量均在静态下实现，避免了线圈晃动带来的测量困难。目前最新普朗克常数的精度量级已经达到10-7，距离CODATA的要求只差一个量级。

另外，张钟华院士带领团队还提出了一种基于惯性质量测量的摆动周期法，该方案原理新颖，独立于目前世界通用的两种方案——功率（能量）天平方案和硅球方案，是精确测量普朗克常数的创新性中国方案。该方案最新发表的测量结果精确度也已经达到10-5，还有巨大的提升空间。