國際計(jì)量開啟新紀(jì)元：基本單位的量子化定義

段宇寧，吳金杰

(中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引言

計(jì)量是測量的科學(xué)及其應(yīng)用。計(jì)量學(xué)包括涉及測量理論和實(shí)用的各個(gè)方面。計(jì)量的目的是保證測量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可比、溯源和一致，包含了科學(xué)、法律法規(guī)和工業(yè)等方面，支撐了超過60%的全球經(jīng)濟(jì)。國際單位制(International system of units,SI)是全球統(tǒng)一的計(jì)量單位制，是構(gòu)成國際計(jì)量體系的基石，是人類描述和定義世間萬物的標(biāo)尺。國際單位制的核心是7個(gè)基本單位，即時(shí)間單位“秒”、長度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、熱力學(xué)溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。SI不是固定不變的，而是為適應(yīng)世界上不斷增加的測量需要而發(fā)展的。這些測量包括與科學(xué)、技術(shù)和人類活動(dòng)相關(guān)的所有領(lǐng)域和所有準(zhǔn)確度水平。

2018年11 月16 日，國際計(jì)量大會投票通過了國際單位制基本單位的新定義方案。這標(biāo)志著基本單位將用自然界精確而不變的常數(shù)定義。此次國際單位制修訂決議，意味著人類已使用上千年的、以實(shí)物作為基本單位基準(zhǔn)的時(shí)代的終結(jié)。國際單位制的重新定義開啟了測量科學(xué)的嶄新未來。

1 量子化定義背景

1790年，經(jīng)歷了啟蒙運(yùn)動(dòng)的理性主義思潮，法國科學(xué)院建議以地球作為標(biāo)準(zhǔn)物，以通過巴黎的子午線四分弧長的一千萬分之一，重新定義基本長度單位“米”。為此，1792～1799年，法國天文學(xué)家德朗布爾(Delambre)與梅尚(Mechain)花了整整7年的時(shí)間，量出了那條穿過敦刻爾克到巴塞羅那的子午線的弧長。根據(jù)測量結(jié)果，其制作了一根鉑桿，將鉑桿兩端之間的距離定義為1米，并交給法國檔案局保管。這根鉑桿被稱為“檔案米”?；鹃L度單位“米”誕生之后，很多單位以它為基礎(chǔ)，重新定義了標(biāo)準(zhǔn)。

1875年，阿根廷、比利時(shí)、奧地利-匈牙利、巴西等17個(gè)國家簽署了《米制公約》(the Convention du Metre)，并于1875年5月20日成立了國際計(jì)量局(BIPM)，負(fù)責(zé)為建立單一、一致、可溯源至國際單位制的全球測量系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。法國大革命期間建立的十進(jìn)位米制以“米”和“千克”為基礎(chǔ)。根據(jù)《米制公約》的規(guī)定，制造了新的米原器和千克原器，并為1889年第一屆國際計(jì)量大會(CGPM)所正式接受。隨著時(shí)間的推移，測量系統(tǒng)不斷發(fā)展，目前已經(jīng)包括七個(gè)基本單位。1960年，第11屆國際計(jì)量大會決定，這個(gè)系統(tǒng)稱為國際單位制。

隨著科技的發(fā)展，基本單位的定義被逐個(gè)量子化。

這一過程從20世紀(jì)60年代拉開序幕。基本單位時(shí)間“秒”、長度“米”先后經(jīng)歷了修訂。1960年，第11屆國際計(jì)量大會上正式批準(zhǔn)廢除鉑銥米原器，而將“米”定義改為：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能級間的躍遷所對應(yīng)的輻射在真空中波長的1 650 763.73個(gè)波長的長度”。1983年，第十七屆國際計(jì)量大會又對“米”進(jìn)行了進(jìn)一步的定義。

1961年，國際計(jì)量委員會提議采用銫原子基態(tài)躍遷作為“秒”定義的候選。1967年，第13屆國際計(jì)量大會通過了基于銫原子躍遷的新的“秒”定義，即：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。至此，“原子秒”取代了“天文秒”。

時(shí)間和長度單位計(jì)量量子化的成功，不斷催生其他計(jì)量單位的量子化定義進(jìn)程。國際計(jì)量委員會于2005年一致同意全面進(jìn)行國際單位制基本單位量子化變革，使其直接定義在自然界“恒定不變”的基本物理常數(shù)上。經(jīng)全球計(jì)量科學(xué)家和物理學(xué)家十多年的共同努力，重新定義國際單位制基本單位的全部條件均已經(jīng)具備。

2018年11月，召開了第26屆國際計(jì)量大會。會議通過了關(guān)于修訂國際單位制的決議。國際單位制中，“千克”由普朗克常數(shù)、“安培”由基本電荷、“開爾文”由玻爾茲曼常數(shù)、“摩爾”由阿伏伽德羅常數(shù)定義；另外3個(gè)基本單位在定義的表述上也作了相應(yīng)調(diào)整，從而與此次修訂的4個(gè)基本單位相一致。修訂前后國際單位制基本單位定義如表1所示。

表1 國際單位制基本單位的定義

這標(biāo)志著使用實(shí)物作為基準(zhǔn)時(shí)代的結(jié)束。2019年5月20日(世界計(jì)量日)起,重新定義的國際單位制將正式實(shí)施。

此次國際單位制變革不包括坎德拉的量子化?？驳吕亩x與之前一致，只是在表述上與其他單位保持一致。這是因?yàn)榭驳吕x的量子化在計(jì)量界沒有取得共識。重新定義之后，國際單位制的6個(gè)基本單位實(shí)現(xiàn)了基于量子物理且以定義常數(shù)和物理常數(shù)定義，進(jìn)入了量子化時(shí)代。

2 重新定義意義

2.1 國際單位制的不足

基于實(shí)物基準(zhǔn)的基本單位，總會受到物理、化學(xué)過程的影響，使它的特性緩慢發(fā)生變化，很難滿足現(xiàn)代高精密測量的要求。因此，CGPM設(shè)想用物理常數(shù)重新定義基本單位。

2.2 修訂意義

“國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑?！盉IPM局長馬丁·米爾頓表示。

重新定義后的國際單位制，將在提升國家計(jì)量管理效能、改變國際計(jì)量體系和現(xiàn)有格局、支撐新一輪工業(yè)革命等方面產(chǎn)生重要意義。

①“定義常數(shù)”保障了國際單位制的客觀通用性，將顯著提升國家計(jì)量管理效能。理論上，今天我們在北京復(fù)現(xiàn)的量值，和我們未來在火星上的復(fù)現(xiàn)值是一致的。傳統(tǒng)的管理模式是以實(shí)物計(jì)量器具為主體，通過逐級傳遞的方式，服務(wù)于測量的各個(gè)領(lǐng)域，具有行政層級和行政區(qū)劃的特征。量子化變革不僅有助于提升質(zhì)量水平，而且有利于促進(jìn)公平交易、誠信建設(shè)。

②用自然界恒定不變的“常數(shù)”替代實(shí)物原器，將改變現(xiàn)有國際計(jì)量體系和現(xiàn)有格局。重新定義后的質(zhì)量單位將更加穩(wěn)定?，F(xiàn)有計(jì)量體系是以國際計(jì)量局為量值傳遞源頭的單極中心。新的計(jì)量體系將形成以部分先進(jìn)國家為主體的多級全球中心或區(qū)域中心。在新一輪激烈競爭中，各國家如能搶占技術(shù)制高點(diǎn)，主動(dòng)布局，就可以把握發(fā)展主導(dǎo)權(quán)和控制權(quán)[1]。

③新定義不再受復(fù)現(xiàn)方法的限制，將有力支撐新一輪的工業(yè)革命。國際單位制重新定義將引發(fā)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新，如嵌入芯片級量子計(jì)量基準(zhǔn)和器件，溯源至物理常數(shù)的測量保證了制造過程中各參數(shù)的準(zhǔn)確性，通過實(shí)時(shí)的反饋可以實(shí)現(xiàn)最佳的控制。這將為突破高檔數(shù)控機(jī)床、大飛機(jī)、核電裝備等重大裝備的共性關(guān)鍵技術(shù)提供支撐[1]。

3 對現(xiàn)有計(jì)量體系的影響

3.1 對量值的影響

用于重新定義的基本物理常數(shù)，經(jīng)過多年的精確測量與結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了定義前后新舊單位量值變化可忽略。尤其對于常規(guī)的測量與應(yīng)用，可以認(rèn)為量值不變。但是新定義的實(shí)施后，將建立基于新定義的量子基準(zhǔn)及新的溯源體系，對于教科書、國際單位制相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量技術(shù)法規(guī)都將進(jìn)行修訂。

3.2 對工業(yè)測量和儀器儀表的影響

儀器儀表的準(zhǔn)確性是通過溯源到計(jì)量基準(zhǔn)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來保證的。傳統(tǒng)的每隔一年或兩年的校準(zhǔn)，無法實(shí)時(shí)保障儀器儀表的準(zhǔn)確?；締挝恢匦露x后，基于量子化定義的測量方法與信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的研究，可研制開發(fā)新型的量子傳感器和量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)我國高端儀器儀表制造的彎道超車，從而帶動(dòng)整個(gè)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。譬如，量子芯片計(jì)量和量子傳感利用原子、電子、光子等可被精確控制和測量，從而實(shí)現(xiàn)對磁場、加速度、重力、時(shí)間、壓力、溫度、慣性等物理量的高精度量子傳感和校準(zhǔn)，除了可以突破經(jīng)典力學(xué)極限的超高測量精度之外，還可抵抗特定噪聲的干擾。量子磁傳感器和霍爾傳感器已產(chǎn)品化，量子傳感技術(shù)在不銹鋼晶格斷裂磁體系數(shù)測試等材料相關(guān)學(xué)科研究已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。雖然量子通信和量子鐘技術(shù)已相對成熟，有不少產(chǎn)品已商業(yè)化，但全球量子技術(shù)目前還處于早期階段，這給我國高端儀器儀表彎道超車提供了絕佳的時(shí)機(jī)。

3.3 對國際溫標(biāo)的影響

溫度重新定義后，為避免對社會造成沖擊，國際溫度咨詢委員會決議，在一段時(shí)間內(nèi)保留國際溫標(biāo)。所以新定義實(shí)施后，短期不會對社會造成可感覺到的影響。但是用玻爾茲曼常數(shù)定義溫度單位，使得人類歷史上首次擺脫溫度單位定義對實(shí)物的依賴，將從根本上解決現(xiàn)有國際溫標(biāo)自身缺陷及實(shí)際溫度測量問題，必然會帶來測溫方式的重大改變。長期看，國際溫標(biāo)以及由此產(chǎn)生的繁瑣量值傳遞鏈條將逐漸退出歷史舞臺。采用熱力學(xué)溫度計(jì)，從理論上，可以實(shí)現(xiàn)從極低溫到極高溫范圍內(nèi)溫度的準(zhǔn)確測量[2]。重新定義之后,與傳統(tǒng)的測溫技術(shù)相比使用基于玻爾茲曼常數(shù)以及量子技術(shù)的原級測溫方法將不再依賴于感溫元件的電學(xué)與機(jī)械特性，從而可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。這種測溫方法可以為極端領(lǐng)域的溫度測量難題提供解決方案，如核反應(yīng)堆堆芯溫度測量、航天材料表面高溫精密測量以及全球環(huán)境溫度監(jiān)測等。

4 對我國計(jì)量展望

國際單位制基本單位重新定義后，國際計(jì)量新格局正在重新構(gòu)建。隨著計(jì)量學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是基本單位的量子化，實(shí)物基準(zhǔn)逐步退出歷史舞臺，量子基準(zhǔn)確立的同時(shí)也確立了先進(jìn)國家計(jì)量院的國際主角地位。國際計(jì)量局的地位和重心由過去量值溯源唯一源頭向協(xié)調(diào)人角色轉(zhuǎn)變。各區(qū)域中先進(jìn)國家計(jì)量院，將通過基于新定義和先進(jìn)的測量技術(shù)建立國家基準(zhǔn)裝置，形成區(qū)域內(nèi)溯源的中心，不再需要向國際計(jì)量局溯源；各國量值通過國際比對，實(shí)現(xiàn)國際等效。由此，國際計(jì)量呈現(xiàn)了多極的格局，先進(jìn)國家計(jì)量院將形成新的一極，在為其他國家提供量值溯源、主導(dǎo)國際比對中發(fā)揮重要作用。

計(jì)量學(xué)不斷拓展新領(lǐng)域，形成新的分支學(xué)科。隨著國民經(jīng)濟(jì)對計(jì)量需求的牽引，計(jì)量學(xué)在原有專業(yè)計(jì)量的基礎(chǔ)上，形成了新的分支及以“跨學(xué)科、多參量”為特點(diǎn)的領(lǐng)域計(jì)量。比如關(guān)系大眾健康的醫(yī)學(xué)計(jì)量、

關(guān)注環(huán)境檢測、溫室氣體排放和碳交易的環(huán)境計(jì)量、關(guān)注節(jié)能減排的能源計(jì)量等。生命科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了生物計(jì)量分支的形成與壯大。生物計(jì)量是以生物測量理論、測量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與生物測量技術(shù)為主體的科學(xué)研究和實(shí)踐活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)生物物質(zhì)的特性量測量值準(zhǔn)確一致為目標(biāo)，并保證測量結(jié)果最終可溯源到國際單位制或國際公認(rèn)單位，服務(wù)于醫(yī)療衛(wèi)生、司法、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、海洋等領(lǐng)域。

計(jì)量溯源方式革新：一是計(jì)量溯源的扁平化，量子計(jì)量基準(zhǔn)與信息技術(shù)相結(jié)合，使量值溯源鏈條更短、速度更快、測量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)，將改變過去依靠實(shí)物基準(zhǔn)逐級傳遞的計(jì)量模式，實(shí)現(xiàn)最佳的測量，提升產(chǎn)品質(zhì)量及工業(yè)競爭力；二是從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室條件溯源轉(zhuǎn)向在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，從過去終端產(chǎn)品的單點(diǎn)校準(zhǔn)或測試轉(zhuǎn)向研發(fā)設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、交付及應(yīng)用全生命周期的計(jì)量技術(shù)服務(wù)。

5 結(jié)束語

從2019年國際計(jì)量日開始，新的國際單位制將開始實(shí)施。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局Stephan Schlamminger說到：“新的國際單位制是美好和邏輯的創(chuàng)新?！?/p>

國際單位制的變革是科技進(jìn)步的縮影，科技創(chuàng)新和質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)將由此變得更加牢固。我國計(jì)量和儀器儀表工作者將加強(qiáng)面向國家戰(zhàn)略需求的計(jì)量基礎(chǔ)前沿研究，開發(fā)適應(yīng)量子化研究的高精密計(jì)量設(shè)施，構(gòu)建基于量子計(jì)量的先進(jìn)測量體系，提升計(jì)量對我國各行各業(yè)技術(shù)進(jìn)步的促進(jìn)作用。