众所周知,由于砝码材料密度不同,空气浮力的影响也不同。在高精度计量中为消除这个影响,国际法制计量组织(OIML)推荐使用“在空气中衡量结果的约定值”,即约定选取20℃时砝码材料的密度为8000kg/m3。中国计量科学研究院主持研制的这种不锈钢砝码,因其密度非常接近约定值(8000.65—7999.81kg/m3)并磁化率极低(3.4×10-4),而受到国际同行赞叹。
砝码磁化率对衡量结果影响颇大,它使同一物品在机械天平和电子天平上测得的值相去甚远,有时竟达数十倍(比如60倍)之多。降低现代砝码磁化率,一直是计量工作者努力追求的目标。计量院主持研制的砝码经国际计量局、德国联邦物理技术研究院几次测试证明,磁化率、密度和稳定性都很好。1995年10月在北京召开的第30届国际法制计量大会上,国际法制计量局局长阿塔内先生在接受国家技术监督局李传卿局长赠送的这种特制砝码时,对中国的计量成就给予了高度评价。
但是从基础研究角度来看,在7个基本量中目前唯一剩下质量还没有建立自然基准,质量单位仍然定义在国际千克原器上。这个原器全世界只能有一个,各国无法单独实现千克,而且存在着损坏、污染的可能,量值难以达到固定不变。实际上,在第三次国际比对中已经发现清洗很难复原,对量值影响甚大。对过去的100年中,估计质量的变化达50微克,即5×10-8。此外,人们虽然在用原器定义宏观的质量单位千克,却又不得不以碳-12原子质量的1/12来定义微观的质量单位“原子质量单位”,这样就出现两个质量单位如何协调一致的问题。
鉴于这种人为性和局限性,长期以来人们一直在寻求用某种自然规律或某种物质特性重新定义质量单位,这是当前和21世纪计量学的重要研究课题之一。研究表明,迄今为止可能存在的多种选择中有两种方案比较现实。
一种方案是利用一定数量的基本粒子,比如把1.097768……×1030个自由电子静止时的质量定义为千克。这里的关键是通过精密测度硅单晶的晶格间距、密度和同位素,来提高阿伏加德罗常数NA的准确度。新近发展的扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的高分辨力和稳定性,使得显现原子图象及其个数成为可能;而皮米级氦氖激光测长干涉仪使得间距的准确度有可能达到10-9量级。
第二种方案是利用重新定义后的电量,比如用电功率来定义力从而导出质量:千克为施加1牛顿的力使其产生1m/s2加速度的质量。这里的关键是研制将电功率(伏安)与机械功率(单位时间作的功)关联起来的装置,利用约瑟夫森(Josephson)效应确定电压,利用量子化霍尔(Hall)效应确定电阻,进而确定力并定义质量单位。
质量单位千克是国际单位制的SI单位,不是倍数单位,但却带着SI词头,这是很别扭的事。在国际单位制的所有SI单位中,只有质量单位由于历史上的原因造成了这个例外。