圖為保存在法國檔案局的千克砝碼（mǎ）原器

　　一米有多長？一千克有多重？這似（sì）乎是個很簡單的問題。事（shì）實（shí）上，古往（wǎng）今來，世界各國科學家為（wéi）給出準確（què）答案而不停探索。至今，在國際單位製（zhì）的7個基本單位中，一千克有多重仍沒有（yǒu）固定的答案。為此，記者采訪（fǎng）了中國（guó）工程院院士、中國計量科學院首席科學家張鍾華，為我們揭曉其中的奧妙。

　　砝碼已是最後一個實物基準

　　早在我們中學的物理課（kè）本中，對質（zhì）量單位（wèi）千克的實（shí）物基準標準千克砝碼（mǎ）原器已做了詳細的介紹。那是1871年，法國為了改變質量單位混亂的局麵，規定了1立方分米的純水在4℃時的質量是1千克，並用鉑製作了標準千克原器，保存在法國（guó）檔案（àn）局。

　　1872年，科學家們通過國際會議（yì），決定以法國的一（yī）千（qiān）克為（wéi）標準，用鉑銥合金製作標準千克的複製品。1883年在製作的複（fù）製品中（zhōng），選了一個質量與“檔案千克”最接近的作為國際千克原器，保存在國際計量局（設在巴黎）。1889年（nián），第一屆國際計量大會批準以這個國際千（qiān）克原器作為質量的標準。

　　“19世紀下半葉到（dào）20世紀上半葉，各國建立起（qǐ）了（le）經典的計量基準（zhǔn），20世（shì）紀50年代以前，基本（běn）單位的量值大多由實物基準保（bǎo）存及複現。這些計量基準一般是根據（jù）經典物理學原理，用實物來表現。比如按X型截麵的鉑銥合金米尺上（shàng）的刻線（xiàn）間距離定義長度單位米，用一組飽（bǎo）和式韋斯頓標準電池的端電壓的平均值保（bǎo）持電壓單（dān）位伏特等（děng）等。”張鍾華告訴記者（zhě）。

　　但隨著科技的不斷發展，在長度（dù）、質量（liàng）、電（diàn）流、溫度、光度、物質量7個基本國際（jì）單位中，其他6個基（jī）準都發生（shēng）了變化，如（rú）1米的長度已定義為等於光在真空中於1/2999792458秒的時間（jiān）間隔內所前進的距離，等等。隻有質量單位千克仍沿用實物基準。

　　砝碼原器已出現一定誤差

　　“盡管這種實（shí）物基準一般是用工業界所（suǒ）能提（tí）供的最好的材料及工藝製成，以保證（zhèng）其穩定性。但是隨（suí）著（zhe）科技及工農業的發展（zhǎn），這樣（yàng）的傳（chuán）統計量量值傳遞檢（jiǎn）定係統開始反映出許（xǔ）多不足之處。實物基準一旦（dàn）製成後，總會有一些不易控製的物理、化學（xué）過程使其特性發生緩慢（màn）的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。”張鍾華說。“以鉑銥合金千克砝碼原器為（wéi）例，緩慢地吸附（fù）在其表（biǎo）麵及內部的（de）氣體（tǐ）、表麵沾上的微（wēi）塵（chén）、甚至多年使用中形成的磨（mó）損及（jí）劃痕均（jun1）會使其質量發生變（biàn）化。而且此種逐年積累的變化的準確數量也很難確切查明（míng）。”

　　據資料顯示，砝碼原器在曆經100年之後，出現（xiàn）了一定的誤差（chà），而分布在世界各地的原始砝碼複製品的重量如今也不（bú）盡（jìn）相同；而在法（fǎ）國巴黎旺多姆廣場，由（yóu）當年法國國民大會的臨時機構“度量衡局”安置的規定一（yī）米長度的（de）大理石碑，在經過200年風雨洗禮後的1989年9月27日實長1.002米。

　　“最高（gāo）等（děng）級（jí）的實物計量基（jī）準全世界隻有一個或一套，一旦由於天（tiān）災、戰爭或其他原因發生意外損壞，就無法完全一（yī）模一樣地複製出來，原來連續（xù）保存的單位量（liàng）值也會因之中斷。量值傳遞檢定係統龐大繁雜，從最高等級的實物基（jī）準到具體應用場所，量值要經過多次傳遞（dì），準確度也必然會有所（suǒ）下降。”張鍾華說。

　　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傳統的實物基準砝碼原器，使一千克的重量更為精確目前已成（chéng）為世界各國計量科學家的重（chóng）要工作之一。隨著量子計量基準的出現，為科技工作者提供了全新的途徑。

　　 張鍾華表（biǎo）示，用量子現象（xiàng）複現量值（zhí）的計量（liàng）基準統稱為量（liàng）子計量基準，其有著（zhe）下述明顯優點:量子計量基準的準確度一般要比實物計量基準高幾（jǐ）個數量級。量子計量基準是一種物理實驗裝（zhuāng）置，可以多處建立。不會有（yǒu）一旦損壞（huài）不能準確複現的問題（tí）。按照相同原理建立的量子計量基準所複現的量值也相同，避免了（le）計量基準的量值多次逐級傳遞而（ér）造成的問題。

　　“量子計量基準一旦取代實物（wù）計（jì）量基準，計量科學將發生革命性變化。因此，量子計量基準的研究被作為國際計量科學的最前沿、尖端課題。”

　　量（liàng）子計量基準一（yī）出現就受到了廣（guǎng）泛（fàn）的關注，發展極（jí）為迅速。第一個付（fù）諸使用的量子計量基準是1960年國（guó）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鍾，代替了原來用地球周期運（yùn）動導出的天文時間基準，銫原子（zǐ）鍾在上億年中才可能出現一秒的（de）誤差。

　　據（jù）張鍾華介紹，20世（shì）紀下半葉以來，電（diàn）學的量子計量基準得到了飛速發展。1962年，約瑟（sè）夫森效應被（bèi）發（fā）現，可把電壓與微（wēi）波輻射頻率聯係起來，得到準確度與頻率基準相接近的量子電壓（yā）基（jī）準，目前其準確度已達（dá）到（dào）10-13。另一項重大發現是1980年由德國科學家馮（féng）克裏青發現的（de）量子化霍爾效（xiào）應（yīng）。利用此種（zhǒng）效（xiào）應，可以建立一種準確度遠遠高於傳統的實物基準的量（liàng）子（zǐ）電阻基準——量子化霍爾電阻基準。同時對於溫度單位開爾文、物質量的單位（wèi）摩爾在利用量子計量方麵都有不同的進展。

　　攻克質量實物基準尚（shàng）需時日

　　在量（liàng）子領域取得的諸多進展令世界各國的計量科學院為之振奮，如（rú）今各（gè）國的（de）計量研究院正在努力攻克經典計量學中的頑（wán）固堡壘——用某種量子計（jì）量基準來代替尚（shàng）在使用的鉑（bó）銥合金千克（kè）砝碼實物基（jī）準。國際計量委員會已明確號召各國（guó）的計量（liàng）科學家用各種各樣的方案來攻克量子質量基準這一難關。

　　“目前，對這一十分迫（pò）切的（de）課題已提出了若幹解決方案。例如（rú），用高度提純的矽晶體中的矽原子質（zhì）量作為新的量子質量基準就是一種有希望的方法，其關（guān）鍵步驟是實際計數出矽晶體中原子的數目。這一方案經多年探索，準確度已（yǐ）達到3×10-8，但要進一步（bù）提高準確度則遭遇到很大（dà）困難（nán）。還有一種辦法是利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導出（chū）量子（zǐ）電功率（lǜ）量值（zhí），再經（jīng）過（guò）速度及重力測量後可導出質量量值。從原則上說也算是（shì）一種（zhǒng）量子（zǐ）質量基準。盡管這種方案構思十分巧妙，但稍嫌複雜。意大利（lì）、新西蘭等國家計（jì）量實驗室也提出了自己的（de）方（fāng）案，但進展不太順（shùn）利。”張鍾華告訴（sù）記者。

　　麵對國際上（shàng）熱烈開展（zhǎn）的前沿課（kè）題，我（wǒ）國也作出了積極響應。

　　據張鍾華介（jiè）紹，目前，中國（guó）計量科學研（yán）究院已經開始在用高度提純的矽晶體中的矽原子質量作為新的量子質量基準方麵進行探索（suǒ）。在矽球密度測量方麵已經取得了較好的（de）成績。對於用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導出量子電功率基準，再經過速度及重力導（dǎo）出質量量值的（de）方（fāng）案也已（yǐ）開（kāi）始。

　　“我相信（xìn）不久的將來質量實物基準會被（bèi）很快（kuài）取代，一千（qiān）克的重量會越來越精（jīng）確。”張鍾華說。