千克重新定义的背景

在2019年5月20日之前，质量单位的定义和量值传递依赖于一颗保存于国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱体——国际千克原器（IPK）。这颗铂铱合金圆柱体于1879年制成，并在1889年召开的第一届国际计量大会上被批准为国际千克原器。但是随着科技的进步，特别是以原子钟为代表的量子基准取得的巨大成功，采用量子化的手段来定义和复现基本单位已经成为计量发展的新趋势。IPK作为一种实物基准，100年间变化了约50微克，其不稳定性已经不能满足现代科技前沿和工业生产的需求。此外，实物基准在受到地震或战争等意外原因受损后，其复现的量值将发生中断。而量子基准则不受此限制，可以依据其测量原理在任何时间、任何地点重建和复现。2005年，国际计量委员会（CIPM）建议采用普朗克常数重新定义千克，并号召各个国家采用不同方案对普朗克常数进行准确测量。为此，国际上陆续提出了多种方案，其中占据主流的有基布尔天平、能量天平和X射线晶体密度法（硅球法）。

千克量传新阶段

2018年11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）通过了关于修订国际单位制（SI）的“1号决议”，批准采用普朗克常数对千克进行重新定义，并于2019年5月20日在全球范围内正式实施，原本测量普朗克常数的测量装置将转为复现质量单位千克。原则上，自实施之日起，具备复现装置的国家就可依据普朗克常数独立复现千克。然而CCM认为，国际科技数据委员会基本物理常数任务组（CODATA TGFC）在2017年为重新定义进行数据平差时，各个国家的普朗克常数测量结果的一致性并不理想。在测量数据不一致性的问题得到解决之前，各国的装置还不能直接用于千克的复现和量传。因此，CCM决定，2019年由国际计量局（BIPM）组织各个国家进行国际关键比对（CCM.M-K8.2019），这次比对的主要目的是评估不同测量装置复现千克的一致性，并为计算第一个国际共识值提供依据。目前，国际上从事千克复现方案研究的科研机构有国际计量局和14个国家计量实验室，其中的7家实验室共采用3种不同实验方案参加了此次国际比对，即加拿大、美国、国际计量局和韩国采用功率天平方案，中国采用能量天平方案，德国和日本采用硅球方案。

2020年10月，CCM千克量传阶段任务组根据近年以来的3次测量数据的平均值得到了千克量值传递的国际共识值，这三次测量数据分别来自2014年直接溯源至IPK的数据、2016年千克复现研究性比对数据和2019年首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）参考值，IPK的最新值为1kg - 0.002 mg，其标准不确定度为0.020 mg。各个国家的测量和校准能力（CMC）将根据IPK的新不确定度进行相应的调整。国际计量局将通过溯源至普朗克常数的国际共识值为其成员国提供1kg铂铱合金砝码和不锈钢砝码的校准服务。

千克重新定义和复现中的中国贡献

为应对国际单位制的重大变革，建成我国自主可控的千克复现装置，我国于2006年提出了能量天平方案。作为第三种独立复现千克新定义的方法，能量天平的测量结果可与基布尔天平以及硅球法的测量结果相互佐证，为千克新定义实现以及质量量值溯源由IPK到普朗克常数过渡提供精密的试验验证。中国计量院的NIM-2能量天平测量装置自2013年中期开始研制，2017年实现了2.4×10-7的相对标准不确定度，2019年实现了10-8量级的相对标准不确定度，并代表我国参加了首次千克复现方法国际关键比对。中国计量院采用NIM-2能量天平装置对两颗比对样品（1颗铂铱合金砝码和1颗不锈钢砝码）测量的相对标准不确定度分别为5.2×10-8和6.5×10-8。经国际计量局对各国的数据综合评定，我国的测量结果与比对参考值（KCRV）的相对偏差为1.17×10-8，相对标准不确定度为4.49×10-8。

经过10余年研究，我国独立提出的能量天平方案的测量能力得到逐步提升，测量数据参与国际共识值的确定，进而用于国际单位制新定义实施后全球质量单位的量值传递。这标志着我国研制的能量天平测量装置的测量能力得到了国际计量委员会的认可，中国计量院取得的这一研究成果为建立我国自主可控的新质量量值传递系统奠定了坚实基础。