國(guó)際單位制重大變革初探

文/陳 軍 李 華 邢獻(xiàn)軍（安徽省計(jì)量科學(xué)研究院）

一、國(guó)際單位制由來(lái)

國(guó)際單位制（International System of Units）縮寫為 SI，是指“由國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）批準(zhǔn)采用的基于國(guó)際量制的單位制，包括單位名稱和符號(hào)、詞頭名稱和符號(hào)及其使用規(guī)則”。

國(guó)際單位制伴著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，也隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善。1875年《米制公約》的簽署，為國(guó)際單位制的形成和發(fā)展奠定了國(guó)際基礎(chǔ)；1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將米、秒、開(kāi)爾文、千克、安培和坎德拉6個(gè)實(shí)用計(jì)量單位命名為“國(guó)際單位制”，標(biāo)志著現(xiàn)代計(jì)量的開(kāi)始；1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)對(duì)國(guó)際單位制基本單位“秒”進(jìn)行重新定義，標(biāo)志著計(jì)量從“實(shí)物到量子”時(shí)代的邁進(jìn)；1971年第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將“摩爾”確定為國(guó)際單位制的第7個(gè)基本單位，標(biāo)志著一套完整的國(guó)際單位制形成（見(jiàn)表1）。

二、國(guó)際單位制的新變革

2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定對(duì)國(guó)際單位制4個(gè)基本單位“千克”“安培”“開(kāi)爾文”“摩爾”進(jìn)行重新定義，并對(duì)另外3個(gè)國(guó)際單位制基本單位“秒”“米”“坎德拉”定義的文本表述進(jìn)行修訂，以統(tǒng)一所有國(guó)際單位制基本單位的表達(dá)方式（見(jiàn)表2）。至此，國(guó)際計(jì)量單位制的7個(gè)基本單位全部由常數(shù)定義，這將是人類科學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑。

表1 國(guó)際單位制的7個(gè)基本單位

表2 國(guó)際單位制7個(gè)基本單位的變化

三、國(guó)際單位制變革的意義

“國(guó)際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑?！眹?guó)際計(jì)量局局長(zhǎng)馬丁·米爾頓表示，“用基本常數(shù)作為我們認(rèn)識(shí)和定義質(zhì)量、時(shí)間等自然界基本概念的基礎(chǔ)，意味著我們?cè)谏罨茖W(xué)認(rèn)知、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、解決許多社會(huì)重大挑戰(zhàn)方面的基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)了?！?/p>

國(guó)際單位制（SI）基本單位變革的具體意義如表3所示。我國(guó)計(jì)量行業(yè)專家認(rèn)為，此次國(guó)際單位制基本單位的變革，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際測(cè)量體系源頭量子化、常數(shù)化，體現(xiàn)了國(guó)際單位制與時(shí)俱進(jìn)的特點(diǎn)，確保了國(guó)際單位制的長(zhǎng)期通用性和穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)在以下方面：一是“常數(shù)定義”不受人為和時(shí)空等多種因素限制，確保了國(guó)際單位制的通用性；二是用“常數(shù)”替代“實(shí)物原器”，“常數(shù)”恒定不變的特點(diǎn)確保了國(guó)際單位制的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；三是新定義的國(guó)際單位制基本單位可實(shí)現(xiàn)任意范圍復(fù)現(xiàn)，確保了國(guó)際單位制的全范圍準(zhǔn)確性；四是新定義的國(guó)際單位制基本單位復(fù)現(xiàn)不受方法限制，確保了國(guó)際單位制的長(zhǎng)遠(yuǎn)適用性。

表3 國(guó)際單位制（SI）基本單位變革的意義

表4 國(guó)際單位制（SI）變革對(duì)公眾的影響

表5 國(guó)際單位制（SI）變革對(duì)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的影響

四、國(guó)際單位制變革的影響

此次國(guó)際單位制變革，對(duì)于多數(shù)科研人員以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展、人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活來(lái)說(shuō)，沒(méi)有造成大的直接的影響，原有的測(cè)量數(shù)據(jù)或結(jié)果仍將是有效的、穩(wěn)定的、連續(xù)的。但從科學(xué)技術(shù)和計(jì)量專業(yè)角度觀察，國(guó)際單位制的重新定義將產(chǎn)生如下影響：一是將進(jìn)一步改變現(xiàn)有計(jì)量格局和國(guó)際計(jì)量體系，實(shí)現(xiàn)扁平化量值傳遞溯源鏈路，使量值溯源速度更快、鏈條更短，測(cè)量結(jié)果更穩(wěn)、數(shù)據(jù)更準(zhǔn)；二是將推進(jìn)儀器儀表產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新性、革命性發(fā)展，催生新的測(cè)量方法、測(cè)量原理和測(cè)量?jī)x器；三是將進(jìn)一步支撐新一輪工業(yè)革命的推進(jìn)，量子測(cè)量技術(shù)發(fā)展和國(guó)際單位制變革將使計(jì)量基準(zhǔn)隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)成為可能。國(guó)際單位制（SI）變革對(duì)公眾和計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的具體影響見(jiàn)表4、表5。

五、國(guó)際單位制變革中我國(guó)的貢獻(xiàn)

本次國(guó)際單位制部分基本單位重新定義涉及4個(gè)基本物理常數(shù)，其中普朗克常數(shù)、基本電荷量和阿伏伽德羅常數(shù)3個(gè)常數(shù)存在相互依賴關(guān)系，僅需準(zhǔn)確確定其一，便能推導(dǎo)出另外兩個(gè)。因此，玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)（或阿佛加德羅常數(shù)）的準(zhǔn)確測(cè)量是支撐此次國(guó)際單位制變革的關(guān)鍵。

我國(guó)始終緊跟國(guó)際計(jì)量科學(xué)趨勢(shì)和前沿，在國(guó)際單位制基本單位復(fù)現(xiàn)的新方法、新理論等方面不斷開(kāi)展深入研究。近年來(lái)，我國(guó)先后在普朗克常數(shù)、阿佛加德羅常數(shù)和玻爾茲曼常數(shù)等物理常數(shù)測(cè)量，以及量子計(jì)量基準(zhǔn)建立方面取得一系列重大突破。

值得一提的是，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院先后采用兩種不同的測(cè)量方法（聲學(xué)法和噪聲法）測(cè)定玻爾茲曼常數(shù)，測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度分別為2.0×10-6和2.7×10-6，均已被國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)委員會(huì)采用，這對(duì)此次國(guó)際單位制修訂中確定玻爾茲曼常數(shù)的最終量值做出了重要貢獻(xiàn)，在國(guó)際單位制基本單位“開(kāi)爾文”的此次量子化修訂中發(fā)揮了重要作用。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)近20年對(duì)電學(xué)量子基準(zhǔn)（量子化霍爾電阻基準(zhǔn)）研究，我國(guó)已經(jīng)建立了準(zhǔn)確度比國(guó)外同類基準(zhǔn)最好水平還高出十余倍的量子化霍爾電阻基準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定普朗克常數(shù)h，參與解決了一系列原生型技術(shù)難題。

六、如何應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制新變革

“米制公約”的簽署，構(gòu)筑了國(guó)際溯源體系基礎(chǔ)，促進(jìn)了工業(yè)化進(jìn)程；“秒”和“米”的量子化變革，催生了激光測(cè)量技術(shù)，推動(dòng)了納米材料、精密測(cè)量、太空探測(cè)和裝備制造等領(lǐng)域的重大發(fā)展和突破。此次國(guó)際單位制變革必將有力推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。我們要牢牢把握國(guó)際單位制變革的歷史性戰(zhàn)略機(jī)遇，面向國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略需求，制定我國(guó)量子化發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)前沿性、基礎(chǔ)性計(jì)量技術(shù)研究，加快構(gòu)建量子化、現(xiàn)代化量傳溯源體系，進(jìn)一步發(fā)揮計(jì)量引領(lǐng)作用，力爭(zhēng)“彎道超車”，引領(lǐng)行業(yè)新變革。