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業內新聞
新國際單位制(SI)
關注:149 發布時間:2019-05-21 作者: 來源:中國計量院

在第20個“世界計量日(5月20日),第26屆國際計量大會通過的關于國際單位制(SI)基本單位變革的決議生效實施。從今天起將施行經修訂后的新國際單位制(SI)。新國際單位制(SI)是如何定義的,新定義改變了什么?新定義將帶來什么影響?


什么是國際單位制(SI)


國際單位制SI是從“米制”發展起來的國際通用的測量語言,是人類描述和定義世間萬物的標尺。國際單位制規定了7個具有嚴格定義的基本單位,分別是時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”和發光強度單位“坎德拉”。它們好比7塊彼此獨立又相互支撐的“基石”,構成了國際單位制的“地基”。國際單位制規定的其它單位,如力的單位牛頓、電壓單位伏特、能量單位焦耳等等,都可以由這7個基本單位組合導出。


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。簽署公約的初衷是為了支撐國際貿易、商業以及科學交流,過去是,現在是,將來也不會改變。



“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,從而保障單位的長期穩定性。1米最早被定義為通過巴黎的地球子午線長度的四千萬分之一。而面積、體積和質量等貿易、商業以及稅收等領域所需的其它單位,則通過“米”來定義。經過數十年的發展,到1960年,第11屆CGPM將包含六個基本單位的單位制命名為國際單位制(SI),即:米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉。國際單位制(SI)相關單位被世界共同采納。1967年,基于銫原子的特性,即基態超精細能級躍遷的頻率重新定義了秒,實現了從“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年,第14屆CGPM將摩爾(物質的量的基本單位)列為SI基本單位之一。1983年,米被定義為光在真空中于1/299 792 458秒內行進的距離,這是SI中的基本單位首次以基本常數——光速來定義。


經過全球各國國家計量院以及國際計量局多年的研究,證明基于基本常數來定義SI的基本單位具有足夠的準確性。國際測量體系將有史以來第一次全部建立在不變的自然常數上,保證了SI的長期穩定性和環宇通用性。這項成就是所有國家計量院與國際計量局責任與擔當的體現,正是他們在這些研究機構中開展的潛心研究以及在國際范圍內開展的通力合作,造就了這樣的成就。


國際單位制(SI)新定義


日前,第26屆國際計量大會通過了關于修訂國際單位制的決議。國際單位制7個基本單位中的4個,即千克、安培、開爾文和摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數來定義;另外3個基本單位在定義的表述上也做了相應調整,以與此次修訂的4個基本單位相一致。


從今天(2019年5月20日)起,國際單位的7個基本單位將全部由基本物理常數定義,這些常數如下:



133原子基態的超精細能級躍遷頻率DνCs 9 192 631 770 Hz



- 真空中光的速度c為299 792 458 m/s,


- 普朗克常數h為6.626 070 1510-34Js



- 基本電荷e1.602 176 63410-19 C


- 玻爾茲曼常數k1.380 64910-23 J/K




- 阿伏伽德羅常數NA6.022 140 761023 mol-1


- 頻率為5401012Hz的單色輻射的發光效率Kcd683 lm/W


其中,單位赫茲、焦耳、庫倫、流明、瓦特的符號為HzJClmW,它們分別與單位秒(s)、米(m)、千克(kg)、安培(A)、開爾文(K)、摩爾(mol)、坎德拉(cd)相關聯,相互之間的關系為Hz = s-1J = kg ms-2C = A s, lm = cd mm-2= cd srW = mkgs-3


SI基本單位采用以下定義:



秒,符號sSI的時間單位。當銫的頻率DnCs,即銫-133原子基態的超精細能級躍遷頻率以單位Hz,即s-1,表示時,將其固定數值取為9 192 631 770來定義秒。



- 米,符號mSI的長度單位。當真空中光的速度c以單位m/s表示時,將其固定數值取為299 792 458來定義米,其中秒用DnCs定義。



千克,符號kgSI的質量單位。當普朗克常數h以單位J s,即kg ms-1,表示時,將其固定數值取為6.626 070 1510-34來定義千克,其中米和秒用cDnCs定義。



安培,符號ASI的電流單位。當基本電荷e以單位C,即A s,表示時,將其固定數值取為1.602 176 63410-19來定義安培,其中秒用DnCs定義。



開爾文,符號KSI的熱力學溫度單位。當玻爾茲曼常數k以單位J K-1,即kg m2 s-2K-1,表示時,將其固定數值取為1.380 64910-23來定義開爾文,其中千克、米和秒用hcDnCs定義。



摩爾,符號molSI的物質的量的單位。1摩爾精確包含6.022 140 76 1023個基本粒子。該數即為以單位mol-1表示的阿伏伽德羅常數NA的固定數值,稱為阿伏伽德羅數。



一個系統的物質的量,符號n,是該系統包含的特定基本粒子數量的量度。基本粒子可以是原子、分子、離子、電子,其它任意粒子或粒子的特定組合。



-坎德拉,符號cdSI的給定方向上發光強度的單位。當頻率為5401012Hz的單色輻射的發光效率以單位lm/W,即cd sr W-1cd sr kg-1m-2s3,表示時,將其固定數值取為683來定義坎德拉,其中千克、米、秒分別用hc DnCs定義。


改變了什么?


從新定義的深層意義來看,國際單位制的變化是“巨大”的。



1.定義的基礎變了。



以千克的現行定義為例,1千克精確等于國際計量局保存的國際千克原器(IPK)的質量。據國際計量局數據顯示,國際千克原器服役近130年來,它的質量與各國保存的質量基準、國際計量局官方作證基準的一致性出現了約50微克的偏差,但國際千克原器的質量是否發生了變化,具體變化了多少至今仍是一個謎。用基本物理常數h重新定義千克后,質量單位將更加穩定,我們不必擔心國際千克原器質量漂移可能給全球質量量值統一帶來的問題。


測量基礎的長期穩定,對于人類面臨的重大挑戰,特別是環境與氣候變化、地球運動監測等非常重要。我們必須有一個能在很長時間內保持穩定的參考標準,才能獲得可靠的測量數據——而可靠的數據一直是科學研究和政府決策的根基。


2.定義的時空變了。





物理定律是放之宇宙而皆準的,但測量卻有不少的人為因素。最早的千克是用1個標準大氣壓下1立方分米純水在4攝氏度時的質量定義的,這實際上受到了溫度、氣壓、水和容器等環境因素和測量過程的限制。人們在19世紀末采用最先進的材料和工藝打造了國際千克原器,目的也是為了規避這些限制。但是,國際千克原器有且只有一個,無論它的質量是否發生漂移,各國計量院仍須以它為準,定期到位于法國的國際計量局校準自己的千克原器。新定義生效后,理論上任何地方的任何人,都可以根據定義復現1千克,而且,我們今天在北京復現的量值,和我們的子孫后代未來在火星上復現的量值將是一致的。


國際單位制的客觀通用性不僅意味著國際測量界多年的夙愿正在逐漸成為現實,更意味著全球量值統一有了更廣闊而便捷的途徑:芯片級的傳感器將可以在工業產品流水線上實現對國際單位制的溯源,物聯網各個終端采集的數據由此可以實現可比——無時無處不在的最佳測量,將推動計量管理模式的改革創新,釋放計量量子化變革效能,有助于提高智能制造、物聯網等新技術產業的質量水平,有利于實現公平貿易、安全醫療等,從而促進誠信建設,降低社會成本,保障和改善民生。


3.定義的范圍變了。



修訂前的開爾文定義僅僅建立在水三相點一個固定點上,要測量比它更高或更低的溫度,我們需要根據其他的固定點來延伸溫標。而未來我們僅通過玻爾茲曼常數,就可以根據熱力學溫度與能量的關系,在整個溫標范圍實現同樣準確的溫度測量。千克也是這樣。以前最準確的千克只有1千克一種,要對一個大于1千克的物體稱重,我們需要將1千克進行重復累加;要對一個小于1千克的物體進行稱重,則需要將1千克進行分割。累加和分割的過程都會給量值的準確性帶來損失。新的定義則不受此限制。


國際單位制的全范圍準確性,為科學發現和技術創新提供了新的機遇。得益于更高的測量準確度,我們將可以測量極高、極低溫度的微小變化,從而更加準確地監測核反應堆內、航天器表面的溫度變化;在生物醫藥領域,我們可以準確測量單個細胞內某種物質的含量,并根據病人的實際需要,制定更加精確的藥物劑量。


4.定義的方法變了。





在新的國際單位制中,測量的兩個重要概念,即單位定義和測量(或復現)方法是分離的。在舊定義中,單位的定義和實現方法是完全綁定的,例如,要復現1/273.16K,就必須在水三相共存的條件下;要復現1千克,就必須與位于法國的國際千克原器相聯系。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X射線晶體密度法——這兩種方法是目前世界上測量準確度最高的復現方法,但即使未來有更好的實驗方案出現,單位的定義也不會因此受到影響。而復現開爾文,現在已經有多達5種方法,你擅長哪種就可以用哪種。


更好的測量原理、測量方法和實驗儀器意味著人們可以在國際單位制框架下實現更佳的測量——這將引發儀器儀表產業的顛覆性創新。集多參量、高準確度傳感器為一體的綜合測量,不受環境干擾無需送檢的實時測量,眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等也成為了可能。


什么不變


對大多數人來說,國際單位制是“不變”的。除電學單位外,新定義下各個單位大小和舊定義幾乎完全一致。事實上,電學單位的改變也微乎其微,電壓單位的變化約為正千萬分之一,電阻單位的變化則更小。但這只會影響對測量不確定度要求最高的頂尖計量機構和校準實驗室,對于普通用戶、產業界人士和多數科研人員來說,新定義不會對他們造成影響,他們的測量結果仍將是連續的。這看上去似乎理所當然,但實際上卻是全球測量科學家數十年潛心研究和通力合作的結果——所有用于基本單位重新定義的“常數”都經過了精確測量與嚴格驗證,從而保障了新單位的大小“不變”。


變革帶來的影響


這次以物理常數為基礎,對國際計量單位制重新定義,意味著所有SI單位將由描述客觀世界的常數定義。重新定義開啟了任意時刻、任意地點、任意主體根據定義實現單位量值的大門,將對經濟、科技與民生等都將產生深刻影響。



1.將改變國際計量體系和現有格局。

重新定義使得計量基標準與信息技術相結合,實現量值傳遞的鏈路不唯一和扁平化,使量值溯源鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩,將徹底改變過去依靠實物基準逐級傳遞的計量模式,解決了費時費力、效率低下、誤差放大等問題。


2.將顯著提升國家計量管理效能。

新的國際計量單位制和量子測量技術的發展,將使得計量基準可隨時隨地復現,將最準“標尺”直接應用于生產生活,大幅縮短量值傳遞鏈。


3.將有力支撐新一輪工業革命。

通過量子計量基準與信息技術的結合,使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩,深度契合了以信息物理系統為基礎、智能制造為主要特征的新一輪工業革命。通過嵌入芯片級量子計量基準,把最高測量精度直接賦予制造設備并保持長期穩定,可以實現對產品制造過程的準確感知和最佳控制。


4.將引發儀器儀表產業的顛覆性創新發展。

國際計量單位制實現量子化,新的測量原理、測量方法和測量儀器孕育而生,集多參量、高精度為一體的芯片級綜合測量,不受環境干擾無需校準的實時測量,眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等均成為可能,進而催生測量儀器儀表形態的全面創新。


總之,國際單位制的變革是科技進步的縮影,科技創新和質量發展的基礎將由此變得更加牢固。人類的測量體系將第一次沖破地球的束縛,邁向遙遠的宇宙和無盡的未來,并將不斷前行。

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