走近新的國際單位制
——上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院院長專訪

本刊：2019年5月20日“世界計(jì)量日”當(dāng)天，新國際單位制正式生效。單位制是如何產(chǎn)生的？新的國際單位制為什么會被喻為根本性飛躍？

邵力：日常生活中，單位無處不在。比如，在一些生活場景中我們會看到， 400米跑可能要用時59秒，汽車的時速可能是87.4千米/小時等等。我們是用“量值”來描述自然界的萬物。單位是人們關(guān)于量值對話的基石。

單位制的出現(xiàn)是人類社會發(fā)展的產(chǎn)物。自從人類有了生產(chǎn)勞動和物品交換，就必然需要計(jì)量單位。整個世界總歸是要以一定的方式來描述，從科學(xué)技術(shù)來講，可以使用很多參數(shù)來描述。這些參數(shù)需要去表征，即需要數(shù)字和與之匹配的某個單位來表述量值。當(dāng)然，這個世界是錯綜復(fù)雜的，不是某一個參數(shù)就能夠表征的，必須是多參數(shù)的。所以，整個單位制意味著我們手里捏著一捆尺子，每一根尺子代表著對某一個參數(shù)的定義和表征。

在早期，人類活動范圍較小。比如氏族社會時，每個部落都可能形成各自獨(dú)立的單位制，使用不同的單位制，會產(chǎn)生很多誤解和麻煩。人類邁入工業(yè)社會后，建立共同承認(rèn)的國際統(tǒng)一的單位制，成為世界發(fā)展的必然趨勢。

1875年，17個國家簽署《米制公約》，并正式同意推行統(tǒng)一的國際測量體系，國際單位制（SI）就此誕生。經(jīng)過100多年的努力，國際單位制逐漸統(tǒng)一形成了7個基本單位。這7個單位就好比是7塊彼此獨(dú)立又相互支撐的“基石”，構(gòu)成了國際單位制的“地基”。它們是時間s（秒）、距離m（米）、質(zhì)量kg（千克）、電流A（安培）、溫度K（開爾文）、物質(zhì)的量mol（摩爾）以及發(fā)光強(qiáng)度cd（坎德拉）。

在2018年的法國巴黎凡爾賽國際計(jì)量大會上，成員國一致同意：在2019 年5月20日“世界計(jì)量日”，實(shí)現(xiàn)這7個國際基本單位的標(biāo)準(zhǔn)全部建立在基本物理常數(shù)定義之上。2019年的“世界計(jì)量日”也成為被載入史冊的一天。

上世紀(jì)中葉開始，時間計(jì)量單位s最先開始以物理常數(shù)來定義，現(xiàn)在這7個國際基本單位已經(jīng)全部可以用物理常數(shù)來定義。由于人們復(fù)現(xiàn)以物理常數(shù)定義的單位時，必須使用量子科學(xué)發(fā)展的理論和方法，隨著新國際單位制的推行，計(jì)量進(jìn)入了所謂的“量子化時代”，因此被喻為根本性飛躍。

本刊：這個“根本性飛躍”具體的進(jìn)步體現(xiàn)在哪里？

邵力：從計(jì)量的發(fā)展變遷來看，單位制就像人們表述和定義世界的一把標(biāo)尺，數(shù)千年來這把標(biāo)尺的刻度越來越細(xì)。單位的定義經(jīng)歷了自然定義、實(shí)物定義，現(xiàn)如今，全部都用常數(shù)來定義，這是理念上的根本變化。

以我的理解，國際單位制的變革首先意味著測量極限的突破，眾多物理量、化學(xué)量和生物量的極限準(zhǔn)確測量因此成為可能。這將使人類更早地攻克更多科學(xué)堡壘。同時，我們對所有參數(shù)的測量，從準(zhǔn)確度等級來說，變得更加精準(zhǔn)?，F(xiàn)在，隨著進(jìn)入量子化時代，以后，我們對參數(shù)的這樣一種表征，不再受很多傳統(tǒng)定義和方法的限制。這次變化的革命性意義在于，新國際單位制作為測量的通用語言將實(shí)現(xiàn)在任何時間、任何文明中保持等效。甚至未來，我們的后代可以在其他星球上復(fù)現(xiàn)出與其一致的量值。

具體來看，新國際單位制的推行，對某個參數(shù)最高值的復(fù)現(xiàn)來說，不再依賴于實(shí)物。譬如，位于法國巴黎國際計(jì)量局庫房里的千克原器，不再是絕對的質(zhì)量計(jì)量的權(quán)威。從計(jì)量作為國家統(tǒng)一的象征而言，每個國家也提高了相應(yīng)自主權(quán)，不需要再受其他國家、甚至國際組織在這方面的規(guī)定和制約。我們國家，只要有足夠的技術(shù)能力就能有效確定計(jì)量基準(zhǔn)值。此外，我覺得還有一個特點(diǎn)，量子化時代以后，我們整個量值溯源可以變得簡單了，不用再像現(xiàn)在那樣，必須一個層級一個層級地傳遞，將來能避免層層溯源的方式所產(chǎn)生的一些誤差或者說不確定度。由于計(jì)量扁平化，我們最終獲得的測量結(jié)果的準(zhǔn)確度可以比以往有大幅度提高。

本刊：可否舉個例子，具體解讀一下新國際單位制革新的內(nèi)涵？

邵力：當(dāng)然，一般社會公眾可能還感覺不到發(fā)生的變化。就如同我們給房子換了一個更加堅(jiān)固的地基，不太會直接影響我們的生活起居。但實(shí)際上，它已經(jīng)發(fā)生了脫胎換骨的變化，一旦遇到臺風(fēng)、地震那樣的意外，便能感受到它的存在和好處。

我就以大家最為熟悉的空間長度m為例，幫助大家更為直觀地了解國際單位制革新的內(nèi)涵。我們首先走近空間長度的標(biāo)尺——“米”的世界。長久以來，我們一直在探索，用一種全球一致的“自然常數(shù)”，而非某種主觀的標(biāo)準(zhǔn)來定義長度單位。早期的人們用人體某個部位或自然物體作為長度的命名依據(jù)，并依托主觀意志進(jìn)行長度觀測和測量。例如，在我國古書中有“布指知寸、布手知尺、舒臂為尋”“舉步為跬、倍跬為步”的記載。在古埃及，人們以某位法老自肘至指尖的長度作為一個腕尺，并以此建造出了金字塔。由此導(dǎo)致了主觀意志決定的單位種類繁多、雜亂無章。

18世紀(jì)末，法國科學(xué)家將地球子午線的1/40 000 000定義為1米，隨后利用7年時間，完成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。根據(jù)測量結(jié)果，在實(shí)物米尺的設(shè)計(jì)和選材上幾經(jīng)改良，最終用鉑銥合金制作出保存“米”的實(shí)物——米原器。當(dāng)時以同樣工藝制造了30把鉑銥合金米尺作為副原器，分發(fā)給《米制公約》參與國。這盡管比之前進(jìn)了一大步，但我們也發(fā)現(xiàn)，近兩百年來，實(shí)物米原器在測量精度和穩(wěn)定性方面都發(fā)生了變化，原器不像我們想象的那樣恒定。

后來，隨著人類對微觀世界認(rèn)識地不斷深入，開始利用更為穩(wěn)定和精準(zhǔn)的微觀量子活動規(guī)律去定義單位。

上世紀(jì)80年代，科學(xué)家利用光波波長和真空中光在一定時間內(nèi)行進(jìn)的距離來定義“米”。1983年，米被定義為光在真空中于1/299 792 458秒內(nèi)行進(jìn)的距離，這是國際單位制的基本單位首次以基本常數(shù)——光速來定義。

我們知道，通過應(yīng)用量子技術(shù)制造的原子鐘使時間計(jì)量達(dá)到了很高的準(zhǔn)確度，而真空中的光速是自然界一個恒定不變的常數(shù)，具有更好的長期穩(wěn)定性，用光速來測量長度，開啟了任意時刻、任意地點(diǎn)、任意主體根據(jù)定義復(fù)現(xiàn)“米”的大門。

本刊：那么時間和長度方面呢？長度測量的實(shí)現(xiàn)與時間有關(guān)，是否可以這樣理解，長度測量值準(zhǔn)不準(zhǔn)取決于時間測量準(zhǔn)不準(zhǔn)？

邵力：的確，從定義來看，長度的測量與時間的測量是密不可分的。事實(shí)上，在7個國際基本單位中，時間測量的精度是最高的。

測量時間的標(biāo)尺是“秒”。我們知道，早期人類社會是通過觀測日月更替、四季變換，或者通過制作沙漏、水鐘和擺鐘等來計(jì)時的。在19世紀(jì)后期，人們通過地球周期運(yùn)動導(dǎo)出定義了“秒”，選取地球自轉(zhuǎn)一周所用時間的1/86 400作為1秒。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波，重新修訂“秒”的定義。此后又對“秒”的表述作了修改。

如果我們把原子想象成一套鐘擺，那么，這個鐘擺1秒鐘可以擺動近92億次，這大幅提升了時間測量的精度?，F(xiàn)如今，世界上最先進(jìn)的原子鐘可以實(shí)現(xiàn)150億年不差1秒的測量精度。

雖然時間的定義確實(shí)達(dá)到了很高的準(zhǔn)確度，但是科學(xué)地講，單臺裝置總有可能會發(fā)生故障。為了保證時間的一致性，科學(xué)家們傾向于用多臺原子鐘，形成一套更為穩(wěn)定的時間系統(tǒng)。比如，國際通用的“協(xié)調(diào)世界時”，就是由全世界70多個實(shí)驗(yàn)室的400多臺原子鐘提供的數(shù)據(jù)計(jì)算而成的。中國標(biāo)準(zhǔn)時間也是由若干個高水平的時間頻率實(shí)驗(yàn)室參與的。

鑒于時間測量對于科技創(chuàng)新的重要性，國務(wù)院把“國家時間頻率中心上海分支機(jī)構(gòu)”的建設(shè)，確定為上海科創(chuàng)中心建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。國家時間頻率中心上海實(shí)驗(yàn)室已于2018年10月正式成立，它將有力服務(wù)于上?？苿?chuàng)中心建設(shè)和城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展。

本刊：感謝邵院長為我們深入淺出地介紹了“米”“秒”這兩個國際單位革新的內(nèi)涵和隨之帶來的變化。那么測量準(zhǔn)確度越來越高，對于我們?nèi)粘Ｉ钣惺裁从绊懩兀啃碌膰H單位制對于未來發(fā)展的意義又是怎樣的呢？

邵力：正如我之前所提到的，根基的變化帶來的改變是潛移默化的，新的國際單位制將為未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)，所帶來的進(jìn)步將會逐漸顯現(xiàn)出來。

以時間計(jì)量為例，高精準(zhǔn)度時間的應(yīng)用，使我們的城市變得更智能，社會管理更便捷、更可靠，同時極大改變了我們的生活方式。比如，我們現(xiàn)在習(xí)慣和依賴的互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航都離不開對時間的應(yīng)用。

在當(dāng)代，如果時間測量精度不能突破微秒量級的限制，就不可能有今天的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。衛(wèi)星定位需要通過測定電磁波信號傳播的時間，來測定衛(wèi)星與地面物之間的距離。1微秒的時間測量誤差，導(dǎo)致的地面定位誤差大約是3米。所以我們前面說，空間位置的精度取決于時間度量的精度。

從技術(shù)發(fā)展來看，高精度的測量為半導(dǎo)體、集成電路技術(shù)注入了新的發(fā)展活力。反過來，芯片級的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集等技術(shù)可能無時無處不在提升我們的最佳測量。

對我們?nèi)粘Ｉ疃?，測量準(zhǔn)確度的提升對我們的影響還是有的，比如，上海每月進(jìn)行的汽車牌照拍賣，在拍賣的最后幾秒鐘可能會有十幾萬單的競價，因此截止時間的精確度對于結(jié)果的公平性，很顯然是相當(dāng)重要的。

總之，國際單位制的革新是科技進(jìn)步的縮影，為我們未來的發(fā)展打下更扎實(shí)的基礎(chǔ)。全球的量值保持高度一致，將在未來對科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境，以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，也將引領(lǐng)人類的步伐邁向地球之外的廣闊空間。