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张钟华院士解析质量标准:一千克究竟有多重

减小 增大 作者:佚名 来源:本站整理 发布时间:2012-01-31

图为保存在法国档案局的千克砝码原器

  一米有多长?一千克有多重?这似乎是个很简单的问题。事实上,古往今来,世界各国科学家为给出准确答案而不停探索。至今,在国际单位制的7个基本单位中,一千克有多重仍没有固定的答案。为此,记者采访了中国工程院院士、中国计量科学院首席科学家张钟华,为我们揭晓其中的奥妙。

  砝码已是最后一个实物基准

  早在我们中学的物理课本中,对质量单位千克的实物基准标准千克砝码原器已做了详细的介绍。那是1871年,法国为了改变质量单位混乱的局面,规定了1立方分米的纯水在4℃时的质量是1千克,并用铂制作了标准千克原器,保存在法国档案局。

  1872年,科学家们通过国际会议,决定以法国的一千克为标准,用铂铱合金制作标准千克的复制品。1883年在制作的复制品中,选了一个质量与“档案千克”最接近的作为国际千克原器,保存在国际计量局(设在巴黎)。1889年,第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量的标准。

  “19世纪下半叶到20世纪上半叶,各国建立起了经典的计量基准,20世纪50年代以前,基本单位的量值大多由实物基准保存及复现。这些计量基准一般是根据经典物理学原理,用实物来表现。比如按X型截面的铂铱合金米尺上的刻线间距离定义长度单位米,用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特等等。”张钟华告诉记者。

  但随着科技的不断发展,在长度、质量、电流、温度、光度、物质量7个基本国际单位中,其他6个基准都发生了变化,如1米的长度已定义为等于光在真空中于1/2999792458秒的时间间隔内所前进的距离,等等。只有质量单位千克仍沿用实物基准。

  砝码原器已出现一定误差

  “尽管这种实物基准一般是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成,以保证其稳定性。但是随着科技及工农业的发展,这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出许多不足之处。实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化,因而它们所保存的量值也会有所改变。”张钟华说。“以铂铱合金千克砝码原器为例,缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。”

  据资料显示,砝码原器在历经100年之后,出现了一定的误差,而分布在世界各地的原始砝码复制品的重量如今也不尽相同;而在法国巴黎旺多姆广场,由当年法国国民大会的临时机构“度量衡局”安置的规定一米长度的大理石碑,在经过200年风雨洗礼后的1989年9月27日实长1.002米。

  “最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套,一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏,就无法完全一模一样地复制出来,原来连续保存的单位量值也会因之中断。量值传递检定系统庞大繁杂,从最高等级的实物基准到具体应用场所,量值要经过多次传递,准确度也必然会有所下降。”张钟华说。

  量子计量基准成为救星

  如何采用一种新型的计量基准来代替传统的实物基准砝码原器,使一千克的重量更为精确目前已成为世界各国计量科学家的重要工作之一。随着量子计量基准的出现,为科技工作者提供了全新的途径。

   张钟华表示,用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准,其有着下述明显优点:量子计量基准的准确度一般要比实物计量基准高几个数量级。量子计量基准是一种物理实验装置,可以多处建立。不会有一旦损坏不能准确复现的问题。按照相同原理建立的量子计量基准所复现的量值也相同,避免了计量基准的量值多次逐级传递而造成的问题。

  “量子计量基准一旦取代实物计量基准,计量科学将发生革命性变化。因此,量子计量基准的研究被作为国际计量科学的最前沿、尖端课题。”

  量子计量基准一出现就受到了广泛的关注,发展极为迅速。第一个付诸使用的量子计量基准是1960年国际计量大会通过采用的86Kr光波长度基准。第二个量子计量基准,也是最著名和最成功的,是1968年在国际上正式启用的铯原子钟,代替了原来用地球周期运动导出的天文时间基准,铯原子钟在上亿年中才可能出现一秒的误差。

  据张钟华介绍,20世纪下半叶以来,电学的量子计量基准得到了飞速发展。1962年,约瑟夫森效应被发现,可把电压与微波辐射频率联系起来,得到准确度与频率基准相接近的量子电压基准,目前其准确度已达到10-13。另一项重大发现是1980年由德国科学家冯克里青发现的量子化霍尔效应。利用此种效应,可以建立一种准确度远远高于传统的实物基准的量子电阻基准——量子化霍尔电阻基准。同时对于温度单位开尔文、物质量的单位摩尔在利用量子计量方面都有不同的进展。

  攻克质量实物基准尚需时日

  在量子领域取得的诸多进展令世界各国的计量科学院为之振奋,如今各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒——用某种量子计量基准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。国际计量委员会已明确号召各国的计量科学家用各种各样的方案来攻克量子质量基准这一难关。

  “目前,对这一十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如,用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法,其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。这一方案经多年探索,准确度已达到3×10-8,但要进一步提高准确度则遭遇到很大困难。还有一种办法是利用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率量值,再经过速度及重力测量后可导出质量量值。从原则上说也算是一种量子质量基准。尽管这种方案构思十分巧妙,但稍嫌复杂。意大利、新西兰等国家计量实验室也提出了自己的方案,但进展不太顺利。”张钟华告诉记者。

  面对国际上热烈开展的前沿课题,我国也作出了积极响应。

  据张钟华介绍,目前,中国计量科学研究院已经开始在用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准方面进行探索。在硅球密度测量方面已经取得了较好的成绩。对于用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准,再经过速度及重力导出质量量值的方案也已开始。

  “我相信不久的将来质量实物基准会被很快取代,一千克的重量会越来越精确。”张钟华说。


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