國際單位制SI迎來歷史性變革
巴黎時間11月16日下午，第26屆國際計量大會（CGPM）關于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議經全體成員國表決通過。根據決議，SI基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA定義。這是SI自1960年創建以來最為重大的變革，將從根本上保證SI的長期穩定性，對科技創新、產業發展和全球治理等影響深遠。
實物原器退出歷史舞臺
世界上最重要的一塊鉑銥合金圓柱體——國際千克原器（IPK）成為了千克定義的歷史。這件為世界科技服役近130年的實物原器將繼續以原有狀態保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險箱內，為新定義相關研究和國際比對發揮“余熱”，但它將不再出現于任何物理公式中。
國際千克原器IPK
國際計量局供圖
據中國計量院從事質量新定義研究的李正坤研究員介紹，IPK及其復制品是用19世紀末20世紀初工業界所能提供的最好的材料及工藝制成的，在當時也滿足了對于計量基準的準確度及穩定性的要求。但實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使它的特性發生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會有所改變。
清洗千克基準（第43號千克基準）
拍攝于20世紀90年代，國際計量局供圖
據國際計量局官方數據顯示，IPK真正“面世”參加國際比對的次數僅有4次。100年間，各國保存的質量基準、國際計量局官方作證基準與IPK的一致性共發生了約0.05 毫克的變化。但IPK質量究竟變化了多少至今仍然是個迷。
2003年參與國際比對后IPK被放回保險箱
國際計量局供圖
“用基本物理常數普朗克常數h重新定義千克后，質量基本單位更加穩定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮IPK質量是否發生變化，更不必擔心IPK丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的毀滅性災難。”李正坤表示。此外，IPK作為最高基準，量值只有1千克一種。從最高基準到具體的應用場所，量值要經過多次分解和傳遞，這會對量值準確性造成損失。“基于新定義的千克可以在極大、極小值的全范圍內，保持相同的不確定度。”國際計量委員會副主席、單位制咨詢委主席約阿希姆·烏爾里希表示，“這對于科學研究和工業應用而言都非常重要。”
SI真正成為全球通用的測量基礎
國際單位制（SI）的起源可以追溯至1875年——17國簽署《米制公約》并正式同意推行統一的國際測量體系。“‘米制’在創立時的愿景即是‘為全人類所用，在任何時代適用’。其初衷是用一種全球一致的‘自然常數’而非某種主觀的標準來定義單位，而這一點隨著SI的修訂真正成為了現實。”國際計量委員會主席白瑞·英格里斯表示。自啟蒙時代起，國際測量界就致力于建立一個“全球通用”的測量系統。用實物作為測量基準一直是一個可行的方式，但這也是測量界想要盡早摒棄的方式。SI的修訂第一次使所有的基本單位和導出單位都建立在恒定不變、全球通用的常數上——國際測量界多年夙愿成為了現實。此外，SI定義將第一次獨立于它們的復現方式：這些定義不會隨著更好的復現方式的出現而過時。以安培為例，其舊定義是“兩條間隔一定距離的導線間的電磁作用力”，這意味著電流需要采用一定的復現方式來定義。但是，隨著約瑟夫森效應和量子化霍爾效應的出現，舊的定義方式過時了。而安培的新定義則只和一定時間內通過的電子數有關，并不涉及復現方式。
加拿大/英國基布爾（功率）天平裝置
“新定義生效后，千克可以通過任何適當的方法復現，比如基布爾天平法和阿佛加德羅法等，但并不僅限于此。”約阿希姆·烏爾里希表示。
德國阿佛加德羅法（X射線晶體密度法）復現千克裝置
中國計量院能量天平裝置（局部）
正如國際計量局局長馬丁·米爾頓在公開發表的聲明中所說，用基本常數作為我們認識和定義質量、時間等自然界基本概念的基礎，意味著我們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。盡管從表面而言，大多數人并不會看到太大變化。“這好比你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但它可能已經發生了實質性的變化，使房子變得更耐久了。”馬丁·米爾頓說，“就像1967年用原子的特性修訂秒定義一樣——盡管在修訂之初人們并不知道它可以用在哪里。但現在，基于原子鐘的計時技術已成為互聯網、移動通信和衛星導航等技術的基礎。新SI也是這樣，它將在未來對科學、技術、貿易、健康、環境以及更多領域產生深遠影響。”
國際單位制修訂的中國貢獻
國際計量委員會主席白瑞·英格里斯在聲明中表示：“SI的修訂是科學成就的一座里程碑。這是所有參與相關研究工作的國家計量院與國際計量局責任與擔當的體現，正是這些研究機構開展的潛心研究和通力合作，才取得了這樣的成就。”事實上，早在20世紀中葉，隨著量子技術的發展，人類對各種物理量的測量準確度得到了極大的提高，時間、長度的SI單位先后經歷了修訂。2005年，國際計量委員起草了關于采用基本物理常數重新定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數定義千克等，并鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關研究工作。
中國計量科學研究院作為我國的國家計量院，始終緊跟國際計量科學前沿，并在SI基本單位復現新理論、新方法等方面持續開展研究。截至目前，中國計量院已在玻爾茲曼常數、普朗克常數和阿佛加德羅常數等物理常數測量以及量子基準的建立方面取得了系列突破。特別是該院利用聲學法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數，為SI溫度基本單位開爾文的修訂做出了重要貢獻。
CODATA 2017玻爾茲曼常數平差所用數據
（NIM為中國計量科學研究院）
來源：國際科學技術數據委員會（CODATA）
在全球科學家們的努力下，用于SI新定義的常數被精心設計在“剛剛好”的數值上，因此，在新定義生效前后，單位的大小不會發生顯著變化——1千克還將是原來的1千克——測量結果在很高的準確度水平上仍然是一致的。“新定義生效后，絕大多數用戶并不需要為此做出任何反應，大家可以和原來一樣，從國際計量局、國家計量院以及獲得認可的實驗室獲得相關量值到SI的溯源性。”馬丁·米爾頓表示。“事實上，電壓單位伏特的量值將僅發生大約一千萬分之一的變化，歐姆的變化則更小；千克、開爾文、摩爾的定義更是基本可以忽略不計。”另據國際計量局官方聲明顯示，國際計量局將在千克重新定義以后繼續開展關于千克復現基準方法的國際比對，并得出千克的國際“共識值”。建有相關復現裝置的國家計量院必須在“共識值”的基礎上依據新定義進行量值傳遞，直到其獨立復現的不確定度達到與“共識值”相當的水平。而其它不能獨立復現千克的成員國，則可以通過國際計量局的校準服務實現質量量值對SI的溯源。
據悉，中國計量院已獨立建立了基于新定義的千克復現裝置，并成功研制了真空質量測量和質量標準傳遞裝置，可以保障未來我國質量量值與國際等效一致。
網絡轉載：中國計量科學研究院陳杭杭
