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，經過與千克原器比對后，BIPM把其中的一些砝碼分發給《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。在第二次世界大戰前，擁有千克原器復制件被視為國家榮耀；在二戰期間，戰勝國對戰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來重新定義質量單位。因為這些物理常數的定義不會改變，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——普朗克常數重新定義千克后，使質量基本單位更加穩定，量值傳遞更加可靠，不再擔心千克原器丟失、損壞給質量量值統一帶來毀滅性的災難。重新定義“千克”意味著科學技術的發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定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數h、波爾茲曼常數k、阿伏伽德羅常數NA等基本物理常數定義質量單位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上的建議。

　　采用SI基本單位的新定義后，基本物理常數將與真空中的光速一樣，成為*常數。基本物理常數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h的固定數值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c和ΔνCa定義。即1千克為“對應普朗克常數為6.6260701475×

10-34Js時的質量”。

　　目前全面實現計量單位量子化定義的條件已經基本具備，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，一方面是量值復現研究，另一方面是量值傳遞研究。

　　針對普朗克常數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NＡ，進而也可得到普朗克常數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位置有關，而線圈運動過程中產生的動態誤差則可被消除。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，經一系列優化改進后，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、軟件系統的研制和調試，并實現了真空測量。2017年5月，向科學數據委員會基本物理常數任務組（CODATA TGFC）提交了測量結果，不確定度為2.4×10-7。

　　自2007年以來各國陸續發布測量結果，其中2017年各國發表的數據中，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普朗克常數的測量，與空氣中質量量值傳遞方法有著本質的區別。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，實現了真空條件下1千克砝碼的測量不確定度優于3.0×10-8。

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