每年5月20日,是世界計(jì)量日。今天起,重新定義后的國(guó)際單位制正式生效,至此,國(guó)際單位的7個(gè)基本單位將全部由基本物理常數(shù)定義。
2018年11月16日,第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了關(guān)于修訂國(guó)際單位制的決議。國(guó)際單位制七個(gè)基本單位中的四個(gè),即質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、熱力學(xué)溫度單位“開爾文”和物質(zhì)的量單位“摩爾”將分別改由普朗克常數(shù)、基本電荷、玻爾茲曼常數(shù)和阿伏伽德羅常數(shù)來定義;另外三個(gè)基本單位,即時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”的定義將保持不變,但是定義的表達(dá)方式會(huì)有一定改變,以與修訂后的四個(gè)基本單位的新定義表達(dá)方式保持一致。2019年5月20日,重新定義后的國(guó)際單位制正式生效。
自此,七個(gè)基本單位將全部通過不變的自然常數(shù)來定義,用這些不變的常數(shù)作為測(cè)量基礎(chǔ),意味著這些單位的定義在未來也是可靠的、不變的。
自2019年5月20日起,國(guó)際單位的7個(gè)基本單位將全部由基本物理常數(shù)定義,這些常數(shù)如下:
- 銫133原子基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率DνCs為 9 192 631 770 Hz,
- 真空中光的速度c為299 792 458 m/s,
- 普朗克常數(shù)h為6.626 070 15′10-34Js,
- 基本電荷e為1.602 176 634′10-19 C,
- 玻爾茲曼常數(shù)k為1.380 649′10-23 J/K,
- 阿伏伽德羅常數(shù)NA為6.022 140 76′1023 mol-1,
- 頻率為540′1012Hz的單色輻射的發(fā)光效率Kcd為683 lm/W,
其中,單位赫茲、焦耳、庫倫、流明、瓦特的符號(hào)為Hz、J、C、lm、W,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(guān)聯(lián),相互之間的關(guān)系為Hz = s-1,J = kg m2 s-2,C = A s, lm = cd m2 m-2= cd sr,W = m2 kgs-3。
自2019年5月20日起,SI基本單位采用以下定義:
- 秒,符號(hào)s,SI的時(shí)間單位。當(dāng)銫的頻率DnCs,即銫-133原子基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率以單位Hz,即s-1,表示時(shí),將其固定數(shù)值取為9 192 631 770來定義秒。
- 米,符號(hào)m,SI的長(zhǎng)度單位。當(dāng)真空中光的速度c以單位m/s表示時(shí),將其固定數(shù)值取為299 792 458來定義米,其中秒用DnCs定義。
- 千克,符號(hào)kg,SI的質(zhì)量單位。當(dāng)普朗克常數(shù)h以單位J s,即kg m2 s-1,表示時(shí),將其固定數(shù)值取為6.626 070 15′10-34來定義千克,其中米和秒用c和DnCs定義。
- 安培,符號(hào)A,SI的電流單位。當(dāng)基本電荷e以單位C,即A s,表示時(shí),將其固定數(shù)值取為1.602 176 634′10-19來定義安培,其中秒用DnCs定義。
- 開爾文,符號(hào)K,SI的熱力學(xué)溫度單位。當(dāng)玻爾茲曼常數(shù)k以單位J K-1,即kg m2 s-2K-1,表示時(shí),將其固定數(shù)值取為1.380 649′10-23來定義開爾文,其中千克、米和秒用h,c和DnCs定義。
- 摩爾,符號(hào)mol,SI的物質(zhì)的量的單位。1摩爾精確包含6.022 140 76 ′1023個(gè)基本粒子。該數(shù)即為以單位mol-1表示的阿伏伽德羅常數(shù)NA的固定數(shù)值,稱為阿伏伽德羅數(shù)。
一個(gè)系統(tǒng)的物質(zhì)的量,符號(hào)n,是該系統(tǒng)包含的特定基本粒子數(shù)量的量度?;玖W涌梢允窃?、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(hào)cd,SI的給定方向上發(fā)光強(qiáng)度的單位。當(dāng)頻率為540′1012Hz的單色輻射的發(fā)光效率以單位lm/W,即cd sr W-1或cd sr kg-1m-2 s3,表示時(shí),將其固定數(shù)值取為683來定義坎德拉,其中千克、米、秒分別用h, c 和DnCs定義。
變革帶來的影響
這次以物理常數(shù)為基礎(chǔ),對(duì)國(guó)際計(jì)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(shù)定義。重新定義開啟了任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)、任意主體根據(jù)定義實(shí)現(xiàn)單位量值的大門,將對(duì)經(jīng)濟(jì)、科技與民生等都將產(chǎn)生深刻影響。
1.將改變國(guó)際計(jì)量體系和現(xiàn)有格局。
重新定義使得計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)與信息技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)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(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn),將徹底改變過去依靠實(shí)物基準(zhǔn)逐級(jí)傳遞的計(jì)量模式,解決了費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、誤差放大等問題。
2.將顯著提升國(guó)家計(jì)量管理效能。
新的國(guó)際計(jì)量單位制和量子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,將使得計(jì)量基準(zhǔn)可隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn),將最準(zhǔn)“標(biāo)尺”直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活,大幅縮短量值傳遞鏈。
3.將有力支撐新一輪工業(yè)革命。
通過量子計(jì)量基準(zhǔn)與信息技術(shù)的結(jié)合,使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn),深度契合了以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)、智能制造為主要特征的新一輪工業(yè)革命。通過嵌入芯片級(jí)量子計(jì)量基準(zhǔn),把最高測(cè)量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造過程的準(zhǔn)確感知和最佳控制。
4.將引發(fā)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新發(fā)展。
國(guó)際計(jì)量單位制實(shí)現(xiàn)量子化,新的測(cè)量原理、測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器孕育而生,集多參量、高精度為一體的芯片級(jí)綜合測(cè)量,不受環(huán)境干擾無需校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)測(cè)量,眾多物理量、化學(xué)量和生物量的極限測(cè)量等均成為可能,進(jìn)而催生測(cè)量?jī)x器儀表形態(tài)的全面創(chuàng)新。
總之,國(guó)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。人類的測(cè)量體系將第一次沖破地球的束縛,邁向遙遠(yuǎn)的宇宙和無盡的未來,并將不斷前行。
什么是國(guó)際單位制(SI)
國(guó)際單位制SI是從“米制”發(fā)展起來的國(guó)際通用的測(cè)量語言,是人類描述和定義世間萬物的標(biāo)尺。國(guó)際單位制規(guī)定了7個(gè)具有嚴(yán)格定義的基本單位,分別是時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”和發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”。它們好比7塊彼此獨(dú)立又相互支撐的“基石”,構(gòu)成了國(guó)際單位制的“地基”。國(guó)際單位制規(guī)定的其它單位,如力的單位牛頓、電壓?jiǎn)挝环?、能量單位焦耳等等,都可以由這7個(gè)基本單位組合導(dǎo)出。
國(guó)際單位制(SI)的起源可以追溯至1875年——17國(guó)簽署《米制公約》并正式同意推行統(tǒng)一的國(guó)際測(cè)量體系。簽署公約的初衷是為了支撐國(guó)際貿(mào)易、商業(yè)以及科學(xué)交流,過去是,現(xiàn)在是,將來也不會(huì)改變。
“米制”在創(chuàng)立時(shí)的愿景即是“為全人類所用,在任何時(shí)代適用”。其初衷是用一種全球一致的“自然常數(shù)”而非某種主觀的標(biāo)準(zhǔn)來定義單位,從而保障單位的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。1米最早被定義為通過巴黎的地球子午線長(zhǎng)度的四千萬分之一。而面積、體積和質(zhì)量等貿(mào)易、商業(yè)以及稅收等領(lǐng)域所需的其它單位,則通過“米”來定義。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,到1960年,第11屆CGPM將包含六個(gè)基本單位的單位制命名為國(guó)際單位制(SI),即:米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉。國(guó)際單位制(SI)相關(guān)單位被世界共同采納。1967年,基于銫原子的特性,即基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷的頻率重新定義了秒,實(shí)現(xiàn)了從“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年,第14屆CGPM將摩爾(物質(zhì)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(nèi)行進(jìn)的距離,這是SI中的基本單位首次以基本常數(shù)——光速來定義。
經(jīng)過全球各國(guó)國(guó)家計(jì)量院以及國(guó)際計(jì)量局多年的研究,證明基于基本常數(shù)來定義SI的基本單位具有足夠的準(zhǔn)確性。國(guó)際測(cè)量體系將有史以來第一次全部建立在不變的自然常數(shù)上,保證了SI的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)宇通用性。這項(xiàng)成就是所有國(guó)家計(jì)量院與國(guó)際計(jì)量局責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?shù)捏w現(xiàn),正是他們?cè)谶@些研究機(jī)構(gòu)中開展的潛心研究以及在國(guó)際范圍內(nèi)開展的通力合作,造就了這樣的成就。