国际通用的测量语言国际单位制 SI 是从“米制”发展而来的,它是人类用于描述以及定义世间万物的标尺,国际单位制明确规定了 7 个有着严格定义的基本单位,它们依次为时间单位“秒”,长度单位“米”,质量单位“千克”,电流单位“安培”,温度单位“开尔文”,物质的量单位“摩尔”以及发光强度单位“坎德拉”,它们仿若 7 块既彼此独立又相互支撑的“基石”一般,构建成了国际单位制的“地基”。由国际单位制所规定的其它单位,像力的单位牛顿;那电压单位伏特;以及能量单位焦耳等,均能够凭借这7个基本单位组合被导出。
要说起国际单位制也就是 SI 的起源,那可是能够一直追溯回 1875 年的,在这一年,有 17 个国家签署了《米制公约》,并且正式表示同意去推行统一的国际测量体系,签署这个公约最初的想法是为了给国际贸易、商业以及科学交流提供支撑,过去是这样,现在也是这样,未来同样不会发生改变。
被创立时的“米制”,其愿景是“为全人类所用,在任何时代适用”, 以一种全球致的“自然常数”而非某种主观标准定义单位,保障单位长期稳定性,最早将1米定义为通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一,贸易、商业以及税收等领域所需的面积、体积和质量等其它单位,通过“米”来定义。历经数十年发展,在1960年时,第11届CGPM把含有六个基本单位的单位制命名成国际单位制(SI),也就是:米、千克、秒、安培、开尔文以及坎德拉。国际单位制(SI)的相关单位为世界共同采用。1967年,依据铯原子的特性,也就是基态超精细能级跃迁的频率重新对秒进行了定义,达成了从“天文秒”到“原子秒”的跨越。1971年,第14届CGPM把摩尔(物质的量的基本单位)当作SI基本单位之一。1983年,米被定义了,它是光在真空中行进的距离,那行进的时间是1/299 792 458秒,这是SI中的基本单位首次用基本常数来定义,这个基本常数就是光速。
全球各国国家计量院,以及国际计量局,经过多年研究,证明基于基本常数去定义SI的基本单位,具备足够准确性。国际测量体系,有史以来第一次,全部建立在不变的自然常数之上,确保了SI的长期稳定性,以及环宇通用性。这项成就,乃是所有国家计量院与国际计量局责任和担当的体现,正是他们在这些研究机构里开展的潜心研究,以及在国际范围内开展的通力合作,造就了这般成就。
国际单位制(SI)新定义
之前,第26届国际计量大会通过了有关修订国际单位制的决议,国际单位制7个基本单位当中4个会分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数并还有阿伏伽德罗常数来定义,这4个基本单位分别是千克、安培、开尔文以及摩尔,此外,另外3个基本单位在定义的表述方面也做了相应调整,目的是与此次修订的4个基本单位保持一致。
从2019年5月20日这个时间开始,国际单位的7个基本单位,都将会全部通过基本物理常数去进行定义,而这些常数是下面这样的数据:
铯133 原子,处于基态时,其超精细能级跃迁频率,被称作 DνCs,此频率为 9 192 631 770Hz。
- 真空中光的速度c为299 792 458 m/s,
- 普朗克常数h为6.626 070 1510-34Js,
- 基本电荷e为1.602 176 63410-19 C,
-玻尔兹曼常数k为1.380 64910-23 J/K,
- 阿伏伽德罗常数NA为6.022 140 mol-1,
- 频率为的单色辐射的发光效率Kcd为683 lm/W,
其中,单位赫兹的符号是Hz,焦耳的符号是J,库伦的符号是C,流明的符号是lm,瓦特的符号是W,它们分别跟单位秒(s)、米(m)、千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)、坎德拉(cd)存在关联,相互间的关系为,Hz等于s^-1,J等于kg乘以m^2再乘以s^-2,C等于A乘以s,lm等于cd乘以m^2再乘以m^-2也就是cd乘以sr,W等于m^2乘以kg乘以s^-3。
自2019年5月20日起,SI基本单位采用以下定义:

秒,其符号为s,属于SI所规定的时间单位。当铯的频率DnCs,也就是铯 - 133原子基态的超精细能级跃迁频率,用单位Hz表示,而Hz即s - 1时,要把它的固定数值取作9 192 631 770来对秒进行定义。
米,它的符号是m,属于SI的长度单位。当在真空中光的速度c用单位m/s去表示的时候,会把它的固定数值设定为299 792 458以此来定义米,这里面的秒是用DnCs来定义的。
千克,其符号是kg,它属于SI的质量单位。当普朗克常数h用单位J s来表示,也就是kg m2 s-1的时候,会把它的固定数值设定为6.626 070 1510-34以此来定义千克,这里面米和秒是用c和DnCs来定义的。
安培,是符号为A的,SI里的电流单位。当那基本电荷e,是以单位C,也就是A s来表示的时候,会把它的固定数值取作1.602 176 634×10-19,以此来定义安培,这里面的秒,是用DnCs来定义的。
开尔文,其符号是K,它是SI中的热力学温度单位。当玻尔兹曼常数k以单位J K -1,也就是kg m2 s -2K -1去表示的时候,会把它的固定数值取为1.380 649×10 -23来对开尔文进行定义,这里面千克、米以及秒是用h,c和DnCs来定义的。
摩尔,其符号是mol,它是SI中物质的量的单位,1摩尔确切地包含6.022 140 76 1023个基本粒子,该数就是以单位mol-1来表示的阿伏伽德罗常数NA的固定数值,亦被称作阿伏伽德罗数。
有一个系统,其物质的量,符号为n,它是用来量度该系统所包含的特定基本粒子数量的,基本粒子可以是原子,也可以是分子,还可以是离子、电子,或者是其它任意粒子,又或者是粒子的特定组合。
坎德拉,其符号为cd,是SI中给定方向上发光强度所用的单位。当频率为特定值的单色辐射,它的发光效率是以单位lm/W表示的,也就是cd sr W -1或者cd sr kg -1m -2s3这样的形式,此时把它的固定数值取为683来对坎德拉进行定义。这里面千克、米、秒分别是用h、c和DnCs来定义的。
改变了什么?
从新定义的深层意义来看,国际单位制的变化是“巨大”的。
1.定义的基础变了。
以千克的现行定义作为例子, 1千克是精确地等于国际计量局所保存的国际千克原器(IPK)的质量的, 依据国际计量局的数据来显示, 在国际千克原器服役差不多130年以来,它的质量跟各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准的一致性出现了大概50微克的偏差, 然而国际千克原器的质量是不是发生了变化,具体变化了多少直到如今仍然是一个谜。运用基本物理常数h对千克进行重新定义过后,质量单位将会变得愈发稳定与否,我们并不必有需要去担心国际千克原器质量漂移这一情况,有可能会给全球质量量值统一这一状况带来的相关问题。
针对人类所面临的重大挑战,特别是关系到环境与气候变化、地球运动监测等方面,测量基础具备长期稳定的特性显得极为重要。对于获取可靠的测量数据而言,我们务必拥有一个能够在长时间段内始终维持稳定状的参考标准才可以达成,而可靠的数据向来作为科学研究以及政府决策的根本基础所在。
2.定义的时空变了。
物理定律适用于整个宇宙,然而测量存在诸多人为因素。最初的千克是依据一个标准大气压下,一立方分米纯水在四摄氏度时的质量来定义的,这实则受温度、气压、水以及容器等环境因素和测量过程的制约。在19世纪末,人们运用最先进的材料与工艺制造了国际千克原器,其目的同样是避免这些限制。可是,国际千克原器仅有一个,不管它的质量有无发生漂移,各国计量院都必须以它为标准,定期前往位于法国的国际计量局校准自己的千克原器。新定义开始生效之后,从理论层面来讲,不管处于什么地方的任何一个人,都能够依据定义去复现1千克,并且,我们于今天在北京所复现出来的量值,与我们的子孙后代在未来于火星上复现的量值将会是相同的。
国际单位制具有客观通用性,这不仅表明国际测量界多年来的夙愿正慢慢成为现实,还意味着全球量值统一有了更宽广且便捷的途径,芯片级的传感器能够在工业产品流水线上达成对国际单位制的溯源,物联网各个终端采集的数据因此能够实现可比,无时无处不在的最佳测量,将会推动计量管理模式的改革创新,释放计量量子化变革效能,有助于提升智能制造、物联网等新技术产业的质量水平,有益于实现公平贸易、安全医疗等,进而促进诚信建设,降低社会成本,保障和改善民生。
3.定义的范围变了。

修订之前的开尔文定义,单单是建立于水三相点这一个固定点之上,要是测量比它更高或者更低的温度,我们得依据其他的固定点去延伸温标。而在未来,我们仅仅凭借玻尔兹曼常数,便能依据热力学温度跟能量的关系,在整个温标范围达成同样精准的温度测量。千克也是如此这般。以前最精确的千克唯有1千克这一种,要是对一个大于1千克的物体称重,我们需要把1千克进行重复累加;要对一个小于1千克的物体称重,那就需要把1千克进行分割。累加的过程会给量值的准确性带来损失,分割的过程同样会给量值的准确性带来损失。然而,新的定义并不受这种情况的限制。
国际单位制在全范围所具备的准确性,为科学发现以及技术创新给予了新的机遇初中物理国际单位,因有更高的测量准确度,所以能测量极高温度的微小变化,也能测量极低温度的微小变化,进而能更准确地监测核反应堆内部及航天器表面的温度变化,在生物医药领域,能够准确测量单个细胞内某一种物质的含量,按病人实际需求制定更精确的药物剂量。
4.定义的方法变了。
在全新的国际单位制里,测量存在两个关键概念,其一为单位定义,其二是测量或者说复现方法,它们是相分离的。在以往的定义当中,单位的定义以及实现方法是全然绑定的,举例来说,若要复现1/273.16K,那就必须处于水三相共存的状况之下;若要复现1千克,那就必须和位于法国的国际千克原器产生联系。新定义生效之后,千克能够借由任何恰当的方式进行复现,像基布尔天平法以及X射线晶体密度法,这两种方法属于当下世界上测量准确度最为高的复现方法,然而即便未来产生更好的实验方案,单位的定义也不会因而遭受影响。而对于复现开尔文,目前已有多达5种方法,你擅长哪种便能够采用哪种。
人们能够在国际单位制的框架范围之内达成更为出色的测量,这是因为存在着更为优良的测量原理、测量方法以及实验仪器,而这将会引发仪器仪表产业的具有颠覆性的创新。综合测量把多参量、高准确度的传感器集合在一起,实时测量不会受到环境干扰并且不需要送去检验,众多物理量、化学量以及生物量的极限测量等同样变成了有可能的事情。
什么不变
对多数人而言,国际单位制是“不变”的,除电学单位情况外初中物理国际单位,新定义下各单位大小同旧定义近乎完全一样,实际上,电学单位的改变也极为微小,电压单位的变化约是正千万分之一,电阻单位的变化更是小很多物业经理人,不过这仅会影响对测量不确定度要求最高的顶尖计量机构以及校准实验室,对于普通用户、产业界人士还有多数科研人员来说,新定义不会给他们带来影响,他们的测量结果依旧会是连续的。这样看起来好像是顺理成章的,然而事实上这是全球的测量科学家花费了数十年时间,专心钻研且齐心协力合作之后得到的成果。所有那些用于基本单位重新定义的“常数”,都经历了精准的测量以及严格的验证,以此保障了新单位的大小处于“不变”的状态。
变革带来的影响
此次依据物理常数,对国际计量单位制做出重新定义,这表明所有 SI 单位会由描述客观世界的常数来定义。重新定义开启了这样一扇大门,即在任意时刻、任意地点、任意主体都能够依据定义去实现单位量值,这对经济、科技与民生等方面都将会产生深刻影响。
1.将改变国际计量体系和现有格局。
通过重新进行定义,促使计量基标准同信息技术相互结合,达成量值传递的链路并非唯一而是呈现扁平化,让量值溯源链条变得更短,速度变得更快,测量结果变得更为精准和稳定,这将会彻底把过去那种依靠实物基准逐级传递的计量模式予以改变,解决了存在的费时费力、效率低下以及误差放大等一系列问题。
2.将显著提升国家计量管理效能。
新的国际计量单位制会有所发展,量子测量技术同样会有所发展,这两者的发展,会让计量基准能够在任何时间复现,不论在任何地点都能复现,还会使最准确的“标尺”可以直接运用到生产方面,并且在生活方面也能直接运用,如此一来,会大幅度缩短量值传递链。
3.将有力支撑新一轮工业革命。
借助量子计量基准跟信息技术二者的结合,令量值传递链条相比于以往更短,速度变得更快,测量结果更为精准且稳定,与以信息物理系统作为基础、智能制造当作主要特征的新一轮工业革命达成深度契合。经由嵌入芯片级量子计量基准,将最高测量精度直接给予制造设备并维持长期稳定,能够实现对于产品制造过程的确切感知以及最佳控制。
4.将引发仪器仪表产业的颠覆性创新发展。
国际计量单位制达成量子化,新式的测量原理出现了,测量方法也出现了,测量仪器也随之产生了,具备多参量、高精度特性的芯片级综合测量得以实现,不受环境干扰且无需校准的实时测量成为可能,众多物理量、化学量以及生物量的极限测量等都变为可能,进而促使测量仪器仪表形态进行全面创新。
总之,国际单位制的变革乃是科技进步的一种体现,科技创新以及质量发展的基础会由此变得更为稳固。人类的测量体系会首次突破地球的限制,朝着遥远的宇宙以及无尽的未来迈进,并且会持续不断地向前发展。
