5月20日，第二十個世界計量日，新修訂的國際單位制體系正式生效?！懊搿薄懊住薄扒Э恕薄鞍才唷薄伴_爾文”“摩爾”“坎德拉”將全部以常數定義，全新的測量體系正式啟用。其中，全球砝碼量值的源頭——國際千克原器大K也隨之正式卸任。這是國際單位制自1963年創立以來最重大的變革。根據新定義，“掌管”千克的是一個以普朗克常數為基礎的公式?；締挝徊辉倥c實物關聯，計量精準度的躍遷更將開啟無限可能，帶來新的認知和機遇、催生新的技術和產業。

公式為虛，質量為實，由虛到實，如何復現公式定義的1千克呢？記者探訪了中國計量科學研究院。

國際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等裝置復現千克

走進實驗室，一個像太空艙一樣的三層大鐘罩便映入眼簾。“未來，我國千克的復現將通過這個裝置完成?！敝袊嬃靠茖W研究院電學量子基準實驗室主任李正坤說，目前國際上主要采用功率天平、能量天平、壓力天平等試驗裝置來復現千克，我國選用的是能量天平方案。

李正坤介紹，鐘罩外觀是為了提供真空的測量環境。鐘罩內，置入水平徑向磁場的懸掛線圈通過后將產生電磁力，穩穩托起被稱砝碼，使得測力傳感器讀數保持不變?！斑@樣，我們就建立起機械量與電學量之間的關系，計算出電磁力，即可推導出砝碼的質量。”李正坤說。

聽起來似乎并不難？李正坤卻說，電磁力的測量也不簡單。從2007年開啟研究，團隊花費了大量精力，才成功研制出一套互感精密測量系統，將互感量溯源到量子化霍爾電阻和時間標準。

研究人員正在調試能量天平試驗裝置。（中國計量科學研究院供圖）

體現在實物上，大鐘罩邊上整齊排列著4個機柜，每個柜子內放著各種儀器。電磁力的計算涉及多個電學量的測量，需要多種測量儀器，有些可以使用商用儀器，有些用于信號控制、濾波、線圈位置和姿態鎖定等功能的儀器只能自行研發。

據介紹，今年9月，國際計量局將組織一次國際比對，看看哪個國家將千克復現得更準。比對時將把各國的測量結果進行加權平均，哪個國家的測量值離平均值更近，就意味著復現能力更強。權重則依據各國裝置的測量穩定性確定，穩定性越高、誤差越小，權重就越大。

“從現在起到9月，是我們對設備的調校期，希望參加比對時，我國能量天平裝置的誤差能縮小至10－8量級?！?李正坤說，這就好比世界一級方程式錦標賽，各個車隊所采用的發動機、車體材料、車體形狀等基本相同，比拼的是對車輛的調校能力，誰能將性能調到最優，誰獲勝的可能性就越大。

為了降低能量天平的測量不穩定性，研究團隊盡力把每個因素都考慮到位。為裝置設置防震溝，以防微小振動對測量結果產生影響；鐘罩框架采用大理石加工而成，千年形成的花崗巖結構穩定，既結實又不會產生放射性物質，構建實驗環境最為理想；采用永磁體代替電磁體產生磁場，以防發電線圈發熱導致測量環境溫度升高，測量結果產生偏差……

能量天平方案是我國獨創的方案，我國也是世界上唯一采用能量天平方案的國家。與主流功率天平方案相比，能量天平整個測量過程都是靜態的，避免了功率天平的動態測量問題。

以實物為基準的量值已不能適應精密測量的需要

以前，我們將國家的千克原器送到位于法國的國際計量局和大K比對，回國后再根據比對結果對國內的千克原器進行修正。舉個例子，1963年我國有了第一顆國家千克原器，此時它與大K質量相等，同為1千克。假設，40年后，2003年，將我國國家千克原器與大K比對時發現我國國家千克原器比大K重了0.00001千克，則原本我國記錄的1千克物品質量都須變為1.00001千克。

現在，能量天平裝置可以準確測出所有砝碼的質量，通過砝碼，即可衡量所有物品的質量。而不擁有千克復現能力的國家，只能委托其他國家進行測量，容易處于被動狀態。

“這將節約大量的成本。以前，每隔一段時間，我國國家千克原器就得前往國際計量局進行比對，為防止發生空難導致國家千克原器受損，我國的兩顆國家千克原器還須乘坐不同的航班前往法國，成本高昂?，F在，國際計量局只需8—10年舉行一次國際比對即可?！崩钫ふf。

新的國際單位制還將讓我們對自然界有新的認識，帶來新的機遇，從而催生新的產業。100多年來，科學家之所以探索國際單位制的變革，是因為以實物為基準向世界傳遞量值，已經越來越不適應精密測量的需要。

“雖然對普通大眾而言，生活中的1千克沒有改變。但需要精確質量測量的大氣污染測量和制藥領域，將迎來新的機遇。”中國計量科學研究院院長方向說。

方向表示，我們對不可預期的未來還應持開放態度。

回顧過去，1967年科學家用銫原子的基態能級躍遷重新定義了秒，由天文秒改為原子秒，這才有了后來的衛星導航系統。作為第一個跨進量子大門的國際單位制，秒是準確度最高、穩定性最好、應用最廣泛的基本單位，也造就了米的定義——光在真空中于1/299792458秒內行進的距離。

“這些都是在短短的30年內發生的，我們有理由對新單位制下的未來充滿期待?！狈较蛘f。

新單位制讓生產一線上的儀器和量具就可以復現最高基準

統計數據顯示，世界上72%的物理學獎、81%的化學獎、95%的生物學或醫學獎的成果都是借助于相關尖端儀器完成的。而儀器的穩定性、可靠性又與計量息息相關。

就以最基礎的時間為例，目前全球統一使用的世界時間是協調世界時。而協調世界時又是依據全球主要國家守時鐘數據加權平均，并經過閏秒調整得出的。守時鐘又依賴于各個國家的國家時間頻率基準。國家時間頻率基準又取決于一個國家對秒的復現能力，哪個國家的銫原子鐘更穩，優勢就更大。目前，我國使用的銫原子鐘，可以做到走3000萬年不差1秒，正在研制的新一代銫原子鐘有望實現1萬億年不差1秒。而這一能力，將直接影響北斗系統的競爭力。

方向說，新的國際單位制啟用后，基本單位的定義和復現方法分離，即使以后出現新技術，不必修改定義就可以做到復現的變革。其次，不依賴實物基準后，量值的傳遞實現了扁平化，最高基準可以直接傳遞到用戶，中間環節傳遞的誤差損失變得很小且非常經濟。

“有了新的單位制，生產一線上的儀器和量具就可以復現最高基準，這對于我們重新梳理和構建測量手段、測量能力，研究新的測量技術，進而提升我國的產品質量，大有好處?！?哈爾濱工業大學精密儀器工程研究院院長譚久彬認為，過去我國在測量能力上的短板不用再一點點補齊，而是可以利用好扁平化的優勢，盡快建立我國新的測量體系?！鞍l達國家也有重建、改建測量體系的過程，如果我們抓好這次機遇，將極大地縮短追趕距離，甚至在很多方面能實現趕超。”

清華大學副校長尤政也表示：“中國的工業革命時間比較短，盡管我們一直奮力追趕，但是與發達國家的長期積累相比還是差距較大。國際單位制實現量子化后，可以說他們之前的基礎技術優勢好比‘清零’了，新的測量技術將應運而生，大家又重新回到了同一條起跑線上。”