圖為保存在法國檔案局的千克砝碼原器

　　一米有多長？一千克有多重？這似乎是個很簡單的問題。事實上，古往今來，世界各國科學(xué)家為給出準確答案而不停探索。至今，在國際單位制的7個基本單位中，一千克有多重仍沒有固定的答案。為此，記者采訪了中國工程院院士、中國計量科學(xué)院首席科學(xué)家張鐘華，為我們揭曉其中的奧妙。

　　砝碼已是最后一個實物基準

　　早在我們中學(xué)的物理課本中，對質(zhì)量單位千克的實物基準標準千克砝碼原器已做了詳細的介紹。那是1871年，法國為了改變質(zhì)量單位混亂的局面，規(guī)定了1立方分米的純水在4℃時的質(zhì)量是1千克，并用鉑制作了標準千克原器，保存在法國檔案局。

　　1872年，科學(xué)家們通過國際會議，決定以法國的一千克為標準，用鉑銥合金制作標準千克的復(fù)制品。1883年在制作的復(fù)制品中，選了一個質(zhì)量與“檔案千克”最接近的作為國際千克原器，保存在國際計量局（設(shè)在巴黎）。1889年，第一屆國際計量大會批準以這個國際千克原器作為質(zhì)量的標準。

　　“19世紀下半葉到20世紀上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計量基準，20世紀50年代以前，基本單位的量值大多由實物基準保存及復(fù)現(xiàn)。這些計量基準一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)原理，用實物來表現(xiàn)。比如按X型截面的鉑銥合金米尺上的刻線間距離定義長度單位米，用一組飽和式韋斯頓標準電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特等等?！睆堢娙A告訴記者。

　　但隨著科技的不斷發(fā)展，在長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、物質(zhì)量7個基本國際單位中，其他6個基準都發(fā)生了變化，如1米的長度已定義為等于光在真空中于1/2999792458秒的時間間隔內(nèi)所前進的距離，等等。只有質(zhì)量單位千克仍沿用實物基準。

　　砝碼原器已出現(xiàn)一定誤差

　　“盡管這種實物基準一般是用工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成，以保證其穩(wěn)定性。但是隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統(tǒng)計量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出許多不足之處。實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。”張鐘華說?！耙糟K銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內(nèi)部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準確數(shù)量也很難確切查明。”

　　據(jù)資料顯示，砝碼原器在歷經(jīng)100年之后，出現(xiàn)了一定的誤差，而分布在世界各地的原始砝碼復(fù)制品的重量如今也不盡相同；而在法國巴黎旺多姆廣場，由當年法國國民大會的臨時機構(gòu)“度量衡局”安置的規(guī)定一米長度的大理石碑，在經(jīng)過200年風(fēng)雨洗禮后的1989年9月27日實長1.002米。

　　“最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭或其他原因發(fā)生意外損壞，就無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會因之中斷。量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級的實物基準到具體應(yīng)用場所，量值要經(jīng)過多次傳遞，準確度也必然會有所下降?！睆堢娙A說。

　　量子計量基準成為救星

　　如何采用一種新型的計量基準來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物基準砝碼原器，使一千克的重量更為精確目前已成為世界各國計量科學(xué)家的重要工作之一。隨著量子計量基準的出現(xiàn)，為科技工作者提供了全新的途徑。

　　 張鐘華表示，用量子現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)量值的計量基準統(tǒng)稱為量子計量基準，其有著下述明顯優(yōu)點:量子計量基準的準確度一般要比實物計量基準高幾個數(shù)量級。量子計量基準是一種物理實驗裝置，可以多處建立。不會有一旦損壞不能準確復(fù)現(xiàn)的問題。按照相同原理建立的量子計量基準所復(fù)現(xiàn)的量值也相同，避免了計量基準的量值多次逐級傳遞而造成的問題。

　　“量子計量基準一旦取代實物計量基準，計量科學(xué)將發(fā)生革命性變化。因此，量子計量基準的研究被作為國際計量科學(xué)的最前沿、尖端課題?！?

　　量子計量基準一出現(xiàn)就受到了廣泛的關(guān)注，發(fā)展極為迅速。第一個付諸使用的量子計量基準是1960年國際計量大會通過采用的86Kr光波長度基準。第二個量子計量基準，也是最著名和最成功的，是1968年在國際上正式啟用的銫原子鐘，代替了原來用地球周期運動導(dǎo)出的天文時間基準，銫原子鐘在上億年中才可能出現(xiàn)一秒的誤差。

　　據(jù)張鐘華介紹，20世紀下半葉以來，電學(xué)的量子計量基準得到了飛速發(fā)展。1962年，約瑟夫森效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，可把電壓與微波輻射頻率聯(lián)系起來，得到準確度與頻率基準相接近的量子電壓基準，目前其準確度已達到10-13。另一項重大發(fā)現(xiàn)是1980年由德國科學(xué)家馮克里青發(fā)現(xiàn)的量子化霍爾效應(yīng)。利用此種效應(yīng)，可以建立一種準確度遠遠高于傳統(tǒng)的實物基準的量子電阻基準——量子化霍爾電阻基準。同時對于溫度單位開爾文、物質(zhì)量的單位摩爾在利用量子計量方面都有不同的進展。

　　攻克質(zhì)量實物基準尚需時日

　　在量子領(lǐng)域取得的諸多進展令世界各國的計量科學(xué)院為之振奮，如今各國的計量研究院正在努力攻克經(jīng)典計量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計量基準來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實物基準。國際計量委員會已明確號召各國的計量科學(xué)家用各種各樣的方案來攻克量子質(zhì)量基準這一難關(guān)。

　　“目前，對這一十分迫切的課題已提出了若干解決方案。例如，用高度提純的硅晶體中的硅原子質(zhì)量作為新的量子質(zhì)量基準就是一種有希望的方法，其關(guān)鍵步驟是實際計數(shù)出硅晶體中原子的數(shù)目。這一方案經(jīng)多年探索，準確度已達到3×10-8，但要進一步提高準確度則遭遇到很大困難。還有一種辦法是利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率量值，再經(jīng)過速度及重力測量后可導(dǎo)出質(zhì)量量值。從原則上說也算是一種量子質(zhì)量基準。盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙，但稍嫌復(fù)雜。意大利、新西蘭等國家計量實驗室也提出了自己的方案，但進展不太順利。”張鐘華告訴記者。

　　面對國際上熱烈開展的前沿課題，我國也作出了積極響應(yīng)。

　　據(jù)張鐘華介紹，目前，中國計量科學(xué)研究院已經(jīng)開始在用高度提純的硅晶體中的硅原子質(zhì)量作為新的量子質(zhì)量基準方面進行探索。在硅球密度測量方面已經(jīng)取得了較好的成績。對于用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率基準，再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值的方案也已開始。

　　“我相信不久的將來質(zhì)量實物基準會被很快取代，一千克的重量會越來越精確?！睆堢娙A說。