影響了人類(lèi)半個(gè)世紀(jì)的國(guó)際計(jì)量體系，將在2018年發(fā)生重大變革。利用量子技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，國(guó)際單位制中科學(xué)家假設(shè)的數(shù)值，將全部改由自然界的基礎(chǔ)常數(shù)來(lái)定義。國(guó)際度量衡委員會(huì)(CIPM)的新草案一旦在明年的國(guó)際度量衡大會(huì)上通過(guò)，世界測(cè)量技術(shù)規(guī)則將被重構(gòu)。

包括“千克”(質(zhì)量)、“開(kāi)爾文”(溫度)、“安培”(電流)、“摩爾”(物質(zhì)的量)在內(nèi)的4項(xiàng)國(guó)際單位定義在明年初改變，對(duì)計(jì)量學(xué)家是千載難逢的機(jī)會(huì)，卻急壞了臺(tái)灣媒體，因?yàn)榕_(tái)灣引以為傲的IC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)良率恐將大幅拉低。

為什么國(guó)際單位要重新定義？

國(guó)際單位制的核心是7個(gè)基本單位，即時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、熱力學(xué)溫度“開(kāi)爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。自1971年以來(lái)，這7個(gè)基本量，一直作為國(guó)際單位制的基本單位。

新舊國(guó)際單位定義對(duì)比

在7大國(guó)際單位制當(dāng)中，有6個(gè)單位是由沒(méi)有實(shí)體的自然現(xiàn)象所定義，只有1個(gè)單位可以用實(shí)際物體來(lái)表示，那就是“千克”。定義千克的，是一塊放在法國(guó)巴黎近郊的國(guó)際標(biāo)淮局(BIPM)保險(xiǎn)箱的標(biāo)準(zhǔn)砝碼——國(guó)際千克原器(International Prototype of the Kilogram，簡(jiǎn)稱(chēng)IPK)。高爾夫球大小的IPK由90%鉑和10%銥打造，平時(shí)放在真空封存的三層玻璃罩內(nèi)。全球還有許多IPK復(fù)制品，作為各國(guó)自己校正單位的標(biāo)淮。

國(guó)際千克原器件

實(shí)物基準(zhǔn)易受環(huán)境影響，巴黎的IPK已經(jīng)微量發(fā)胖了，過(guò)去100年飄移了50微克，相當(dāng)于一顆直徑0.4毫米的小沙粒，準(zhǔn)確度產(chǎn)生偏差。預(yù)計(jì)到2018年第26屆國(guó)際度量衡大會(huì)，科學(xué)界將放棄末代小金屬圓柱，改用普朗克常數(shù)定義“千克”。

普朗克常數(shù)描述電磁波能量和頻率之間的關(guān)系(E=hν，其中，E是能量，ν是頻率和h是普朗克常數(shù))，但測(cè)量非常困難。也正是因?yàn)榱坎粶?zhǔn)的困難，質(zhì)量單位一直無(wú)法自然定義。

任職于美國(guó)國(guó)家標(biāo)淮與技術(shù)研究院(NIST)的物理學(xué)家史蘭明格(Stephan Schlamminger)團(tuán)隊(duì)近期宣布，已取得初步成果：他們把已知質(zhì)量的物體擺在瓦特天平(Watt Balance)的一端，另一端則對(duì)線(xiàn)圈施加電流產(chǎn)生機(jī)械力，與物體因重力下拉的力達(dá)到平衡。從電磁力算出普朗克常數(shù)的值后，再通過(guò)質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc2，算出質(zhì)量，精度可達(dá)3.4×10-8。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)淮與技術(shù)研究院的瓦特天平

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)2017年7月會(huì)再次公布他們獨(dú)立測(cè)量的結(jié)果。到2018年國(guó)際度量衡大會(huì)，從各團(tuán)隊(duì)測(cè)量值中挑出最準(zhǔn)確的最終值，IPK就可以退休了。

別的單位也將重新定義。如測(cè)量電流的單位“安培”，目前定義為：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的平行而無(wú)限長(zhǎng)的圓直導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)，通以等量恒定電流，導(dǎo)線(xiàn)間相互作用力在1米長(zhǎng)度上為2×10-7牛時(shí)，則每根導(dǎo)線(xiàn)中的電流為1安培。

這樣假想的導(dǎo)線(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中根本不存在，因此，也將改用可以真正被測(cè)量的基本電荷。現(xiàn)在的納米科技裝置已能計(jì)算在導(dǎo)線(xiàn)中流動(dòng)的個(gè)別帶電粒子，所以可藉由電子的電荷量來(lái)重新定義安培。

同理，開(kāi)爾文和摩爾，也將分別從水的三相點(diǎn)及相對(duì)原子質(zhì)量，改由明確的波茲曼常數(shù)(Boltzmann constant)和阿佛加德羅常數(shù)(Avogadro constant)來(lái)定義。

科學(xué)家制造了世界上最精確的單晶硅球

另外幾項(xiàng)國(guó)際單位，未來(lái)也將變革。加拿大主導(dǎo)此項(xiàng)工作的計(jì)量學(xué)家史提爾(Alan Steele)說(shuō)：“如果預(yù)想下一次重新定義，可能會(huì)以量子力學(xué)方法定義發(fā)光強(qiáng)度，秒的定義也許會(huì)從微波改成光學(xué)方式。不過(guò)這至少還要等15年，甚至可能更久。”定義的原則在于，無(wú)論是在地球上或在仙女座上，任何地方的智慧生物都能夠理解這些新單位。