國際計量開啟新紀元：基本單位的量子化定義

段宇寧，吳金杰

(中國計量科學研究院，北京 100029)

0 引言

計量是測量的科學及其應用。計量學包括涉及測量理論和實用的各個方面。計量的目的是保證測量的準確、穩定、可比、溯源和一致，包含了科學、法律法規和工業等方面，支撐了超過60%的全球經濟。國際單位制(International system of units,SI)是全球統一的計量單位制，是構成國際計量體系的基石，是人類描述和定義世間萬物的標尺。國際單位制的核心是7個基本單位，即時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、熱力學溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發光強度單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。SI不是固定不變的，而是為適應世界上不斷增加的測量需要而發展的。這些測量包括與科學、技術和人類活動相關的所有領域和所有準確度水平。

2018年11 月16 日，國際計量大會投票通過了國際單位制基本單位的新定義方案。這標志著基本單位將用自然界精確而不變的常數定義。此次國際單位制修訂決議，意味著人類已使用上千年的、以實物作為基本單位基準的時代的終結。國際單位制的重新定義開啟了測量科學的嶄新未來。

1 量子化定義背景

1790年，經歷了啟蒙運動的理性主義思潮，法國科學院建議以地球作為標準物，以通過巴黎的子午線四分弧長的一千萬分之一，重新定義基本長度單位“米”。為此，1792～1799年，法國天文學家德朗布爾(Delambre)與梅尚(Mechain)花了整整7年的時間，量出了那條穿過敦刻爾克到巴塞羅那的子午線的弧長。根據測量結果，其制作了一根鉑桿，將鉑桿兩端之間的距離定義為1米，并交給法國檔案局保管。這根鉑桿被稱為“檔案米”?；鹃L度單位“米”誕生之后，很多單位以它為基礎，重新定義了標準。

1875年，阿根廷、比利時、奧地利-匈牙利、巴西等17個國家簽署了《米制公約》(the Convention du Metre)，并于1875年5月20日成立了國際計量局(BIPM)，負責為建立單一、一致、可溯源至國際單位制的全球測量系統提供基礎。法國大革命期間建立的十進位米制以“米”和“千克”為基礎。根據《米制公約》的規定，制造了新的米原器和千克原器，并為1889年第一屆國際計量大會(CGPM)所正式接受。隨著時間的推移，測量系統不斷發展，目前已經包括七個基本單位。1960年，第11屆國際計量大會決定，這個系統稱為國際單位制。

隨著科技的發展，基本單位的定義被逐個量子化。

這一過程從20世紀60年代拉開序幕。基本單位時間“秒”、長度“米”先后經歷了修訂。1960年，第11屆國際計量大會上正式批準廢除鉑銥米原器，而將“米”定義改為：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能級間的躍遷所對應的輻射在真空中波長的1 650 763.73個波長的長度”。1983年，第十七屆國際計量大會又對“米”進行了進一步的定義。

1961年，國際計量委員會提議采用銫原子基態躍遷作為“秒”定義的候選。1967年，第13屆國際計量大會通過了基于銫原子躍遷的新的“秒”定義，即：銫133原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9 192 631 770個周期的持續時間。至此，“原子秒”取代了“天文秒”。

時間和長度單位計量量子化的成功，不斷催生其他計量單位的量子化定義進程。國際計量委員會于2005年一致同意全面進行國際單位制基本單位量子化變革，使其直接定義在自然界“恒定不變”的基本物理常數上。經全球計量科學家和物理學家十多年的共同努力，重新定義國際單位制基本單位的全部條件均已經具備。

2018年11月，召開了第26屆國際計量大會。會議通過了關于修訂國際單位制的決議。國際單位制中，“千克”由普朗克常數、“安培”由基本電荷、“開爾文”由玻爾茲曼常數、“摩爾”由阿伏伽德羅常數定義；另外3個基本單位在定義的表述上也作了相應調整，從而與此次修訂的4個基本單位相一致。修訂前后國際單位制基本單位定義如表1所示。

表1 國際單位制基本單位的定義

這標志著使用實物作為基準時代的結束。2019年5月20日(世界計量日)起,重新定義的國際單位制將正式實施。

此次國際單位制變革不包括坎德拉的量子化。坎德拉的定義與之前一致，只是在表述上與其他單位保持一致。這是因為坎德拉定義的量子化在計量界沒有取得共識。重新定義之后，國際單位制的6個基本單位實現了基于量子物理且以定義常數和物理常數定義，進入了量子化時代。

2 重新定義意義

2.1 國際單位制的不足

基于實物基準的基本單位，總會受到物理、化學過程的影響，使它的特性緩慢發生變化，很難滿足現代高精密測量的要求。因此，CGPM設想用物理常數重新定義基本單位。

2.2 修訂意義

“國際單位制的修訂是科學進步的一座里程碑?！盉IPM局長馬丁·米爾頓表示。

重新定義后的國際單位制，將在提升國家計量管理效能、改變國際計量體系和現有格局、支撐新一輪工業革命等方面產生重要意義。

①“定義常數”保障了國際單位制的客觀通用性，將顯著提升國家計量管理效能。理論上，今天我們在北京復現的量值，和我們未來在火星上的復現值是一致的。傳統的管理模式是以實物計量器具為主體，通過逐級傳遞的方式，服務于測量的各個領域，具有行政層級和行政區劃的特征。量子化變革不僅有助于提升質量水平，而且有利于促進公平交易、誠信建設。

②用自然界恒定不變的“常數”替代實物原器，將改變現有國際計量體系和現有格局。重新定義后的質量單位將更加穩定。現有計量體系是以國際計量局為量值傳遞源頭的單極中心。新的計量體系將形成以部分先進國家為主體的多級全球中心或區域中心。在新一輪激烈競爭中，各國家如能搶占技術制高點，主動布局，就可以把握發展主導權和控制權[1]。

③新定義不再受復現方法的限制，將有力支撐新一輪的工業革命。國際單位制重新定義將引發儀器儀表產業的顛覆性創新，如嵌入芯片級量子計量基準和器件，溯源至物理常數的測量保證了制造過程中各參數的準確性，通過實時的反饋可以實現最佳的控制。這將為突破高檔數控機床、大飛機、核電裝備等重大裝備的共性關鍵技術提供支撐[1]。

3 對現有計量體系的影響

3.1 對量值的影響

用于重新定義的基本物理常數，經過多年的精確測量與結果驗證，實現了定義前后新舊單位量值變化可忽略。尤其對于常規的測量與應用，可以認為量值不變。但是新定義的實施后，將建立基于新定義的量子基準及新的溯源體系，對于教科書、國際單位制相關的國家標準、計量技術法規都將進行修訂。

3.2 對工業測量和儀器儀表的影響

儀器儀表的準確性是通過溯源到計量基準和計量標準來保證的。傳統的每隔一年或兩年的校準，無法實時保障儀器儀表的準確。基本單位重新定義后，基于量子化定義的測量方法與信息技術、互聯網技術相結合的研究，可研制開發新型的量子傳感器和量子計量標準裝置，實現我國高端儀器儀表制造的彎道超車，從而帶動整個儀器儀表產業的轉型升級。譬如，量子芯片計量和量子傳感利用原子、電子、光子等可被精確控制和測量，從而實現對磁場、加速度、重力、時間、壓力、溫度、慣性等物理量的高精度量子傳感和校準，除了可以突破經典力學極限的超高測量精度之外，還可抵抗特定噪聲的干擾。量子磁傳感器和霍爾傳感器已產品化，量子傳感技術在不銹鋼晶格斷裂磁體系數測試等材料相關學科研究已實現應用。雖然量子通信和量子鐘技術已相對成熟，有不少產品已商業化，但全球量子技術目前還處于早期階段，這給我國高端儀器儀表彎道超車提供了絕佳的時機。

3.3 對國際溫標的影響

溫度重新定義后，為避免對社會造成沖擊，國際溫度咨詢委員會決議，在一段時間內保留國際溫標。所以新定義實施后，短期不會對社會造成可感覺到的影響。但是用玻爾茲曼常數定義溫度單位，使得人類歷史上首次擺脫溫度單位定義對實物的依賴，將從根本上解決現有國際溫標自身缺陷及實際溫度測量問題，必然會帶來測溫方式的重大改變。長期看，國際溫標以及由此產生的繁瑣量值傳遞鏈條將逐漸退出歷史舞臺。采用熱力學溫度計，從理論上，可以實現從極低溫到極高溫范圍內溫度的準確測量[2]。重新定義之后,與傳統的測溫技術相比使用基于玻爾茲曼常數以及量子技術的原級測溫方法將不再依賴于感溫元件的電學與機械特性，從而可以實現自校準。這種測溫方法可以為極端領域的溫度測量難題提供解決方案，如核反應堆堆芯溫度測量、航天材料表面高溫精密測量以及全球環境溫度監測等。

4 對我國計量展望

國際單位制基本單位重新定義后，國際計量新格局正在重新構建。隨著計量學的進步和發展，尤其是基本單位的量子化，實物基準逐步退出歷史舞臺，量子基準確立的同時也確立了先進國家計量院的國際主角地位。國際計量局的地位和重心由過去量值溯源唯一源頭向協調人角色轉變。各區域中先進國家計量院，將通過基于新定義和先進的測量技術建立國家基準裝置，形成區域內溯源的中心，不再需要向國際計量局溯源；各國量值通過國際比對，實現國際等效。由此，國際計量呈現了多極的格局，先進國家計量院將形成新的一極，在為其他國家提供量值溯源、主導國際比對中發揮重要作用。

計量學不斷拓展新領域，形成新的分支學科。隨著國民經濟對計量需求的牽引，計量學在原有專業計量的基礎上，形成了新的分支及以“跨學科、多參量”為特點的領域計量。比如關系大眾健康的醫學計量、

關注環境檢測、溫室氣體排放和碳交易的環境計量、關注節能減排的能源計量等。生命科學的發展促進了生物計量分支的形成與壯大。生物計量是以生物測量理論、測量標準、計量標準與生物測量技術為主體的科學研究和實踐活動，以實現生物物質的特性量測量值準確一致為目標，并保證測量結果最終可溯源到國際單位制或國際公認單位，服務于醫療衛生、司法、農業、食品、醫藥、海洋等領域。

計量溯源方式革新：一是計量溯源的扁平化，量子計量基準與信息技術相結合，使量值溯源鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩，將改變過去依靠實物基準逐級傳遞的計量模式，實現最佳的測量，提升產品質量及工業競爭力；二是從傳統的實驗室條件溯源轉向在線實時校準，從過去終端產品的單點校準或測試轉向研發設計、采購、生產、交付及應用全生命周期的計量技術服務。

5 結束語

從2019年國際計量日開始，新的國際單位制將開始實施。美國國家標準與技術局Stephan Schlamminger說到：“新的國際單位制是美好和邏輯的創新。”

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。我國計量和儀器儀表工作者將加強面向國家戰略需求的計量基礎前沿研究，開發適應量子化研究的高精密計量設施，構建基于量子計量的先進測量體系，提升計量對我國各行各業技術進步的促進作用。