更新计量基本单位[kg]定义的研究现状

    1　引言

    计量基本单位是工业、科技和社会发展的基础,自然科学的进步也有赖于计量基本单位的准确性。一切物理量与化学量都要溯源到计量基本单位上,由它导出的物理和化学量值,在所给出的精度范围内应是准确无误的,不随时间、地点等外部条件的改变而变化。早在1870年,J. C. Maxwell就指出:物理量的计量基本单位不能以宏观量(实物)为基础,而应当以“永恒的和不变的粒子”物理特性为基础。但是,在今天广泛应用着的国际计量单位制中,计量基本单位的原始思想还是基于1901年G. Giorgi的建议。虽然,基于宏观量的原始思想的国际计量单位制在20世纪中对社会、经济、科技、工业等各方面的发展起了巨大的作用,但也随着科学与技术的进步更新了一些计量基本单位的定义,如长度—[米]、时间—[秒]、电压—[伏特]和电阻—[欧姆]等,都更新在以量子物理学为基础的基本物理常数上和原子的物理特性上。现在,在计量基本单位中只有质量的[kg]还定义在实物基准上。

    [kg]的定义是在1887年第一届国际计量大会上确定的,以巴黎国际计量局保存的千克原器(铂铱合金的圆柱体)作为质量基本单位的国际基准。质量基本单位[kg]的定义是这样写的:“千克是质量单位,它等于国际千克原器的质量。”每个国家保有一个复制品,定期(每20年)送到巴黎国际计量局进行比对。

    2　千克原器存在的问题

    以千克原器作为质量计量基本单位[kg]的实物基准存在以下原则性问题:(1)实物基准易损坏;(2)实物千克基准量值随时间、地点等外部条件的改变而变化,这个变化已远超过了[kg]国际比对的不确定度。

    1989年在巴黎国际计量局举行了20世纪最后一次各国千克基准与国际千克原器的比对。比对结果,各国千克基准质量的平均增长率约为0.5μg/年[1]。如,瑞士的国家千克基准(No.38)在1946年与1989年两次与国际千克原器比对的差值为+28μg。德国的国家千克基准(No.55)与国际千克原器比对结果为1 kg+0.252 mg,其增长率也为0.5μg/年。我国国家千克基准(No.60)的比对结果为1 kg+0.295 mg。属于法国科学院的千克基准(No.34) ,从第二届国际千克基准比对之后就保存在密封的容器中,再没有使用过,也没有动过。它的质量值变化如下: 1889年, 1 kg-0·073 mg; 1950年, 1 kg-0·078 mg; 1992年1 kg-0·051 mg。该千克基准质量从1950年到1992年42年间相对国际千克原器质量的变化为+0.027 mg。另外,法国R. Davis从1949年至1989年对他们自己的千克基准进行长期实验考核,结果是在这40年中其质量值相对增大了6×10-7 [2]。按上述事实人们可以提出怀疑,即国际千克原器是否也在100年中变化了50μg(5×10-8) ?这还不得而知。