基于自然常數(shù)的國際單位制重新定義

摘 要：第26屆國際計量大會批準了全部以自然常數(shù)重新定義的國際單位制（SI）。新定義不再依賴任何實物計量基準，使國際單位制更具穩(wěn)定性和普適性。文章介紹了國際單位制的沿革和重新定義的國際單位制的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：測量;國際單位制;基本單位;基本常數(shù);自然常數(shù);重新定義

中圖分類號：TB921;N04文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2019.03.006

Abstract： The 26th meeting of the General Conference on Weights and Measures （CGPM） approved the revision of the international system of units （SI）. The definitions of all the units of the revised SI have been linked to constants of nature， which no longer rely on any physical artifacts and guarantee their stability and universality. This paper introduces the evolution of and the content of the redefined SI.

Keywords：measurement; international system of Units （SI）; base unit; fundamental constant; constant of nature; redefinition

收稿日期：2019-05-09

作者簡介：原遵東（1960—），男，中國計量科學研究院研究員，研究方向為溫度計量、輻射測溫。通信方式：yuanzd@nim.ac.cn。

一 國際單位制的形成[1-2]

在世界范圍使用統(tǒng)一的單位制是保證不同時期、不同地域和不同原理的測量之間具有一致性的基礎(chǔ)。國際單位制是世界上幾乎所有國家都在使用的單位的法律體系。國際單位制由最初的米制演變而成。

1795年法國立法創(chuàng)建了米制。1799年兩個代表米和千克的鉑標準器保存于法國國家檔案館。1869年國際科學委員會建立以推廣米制測量的應用，國際米原器誕生。同年法國政府邀請多國加入國際科學委員會，次年轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌膰H米制委員會。

1875年5月20日，17國簽署《米制公約》，在其框架下成立了國際計量大會（CGPM）、國際計量委員會（CIPM）和國際計量局（BIPM）。CGPM旨在討論和批準單位制修訂提案，CIPM管理有關(guān)單位制的討論和建議，BIPM承擔全部體系的管理和保管國際原器標準裝置。當時商定的單位制稱為米-千克-秒單位制（MKS制），包含米、千克和秒三個基本單位。其中，米和千克用實物定義，時間單位秒采用天文秒。1889年第1屆國際計量大會批準了定義米和千克的以鉑銥合金制成的兩個新國際原器。

1935年國際電工委員會（IEC）開始采用MKS制。1946年CIPM批準MKS制替代電學此前的單位制——“國際制”。為建立在全球統(tǒng)一實用的測量單位制，1954年CGPM決定，引入電流、熱力學溫度和發(fā)光強度的單位安培、開爾文和坎德拉作為基本單位。1960年第11屆CGPM將包含米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉六個基本單位的單位制命名為國際單位制（SI，法文System International dUnites的縮寫）。此次會議還采用了米的基于氪-86原子特性的新定義，這是第一次正式采用自然基準定義的基本單位，替代了1889年起生效的基于國際米原器的定義。至此，千克成為最后一個以實物來定義的SI基本單位。

1967年改用銫原子的自然特性重新定義秒，也被稱為“原子秒”。1971年第14屆CGPM將物質(zhì)的量的單位摩爾引入SI基本單位。1977年我國加入米制公約組織。1979年坎德拉以單色輻射方式重新定義。1983年米被定義為光在真空中經(jīng)1/299 792 458秒行進的距離，這是SI中的基本單位首次以基本常數(shù)（光速）來定義。1990年單位歐姆和伏特的定義均采用基于“約瑟夫森效應”和“量子霍爾效應”的基本常數(shù)實用約定值。

1999年第21屆CGPM第7號決議要求各國際計量院努力，用實驗方法把質(zhì)量單位和基本常數(shù)或原子常數(shù)聯(lián)系起來，以便將來重新定義千克。此后，CGPM的有關(guān)國際咨詢委員會先后提出將千克定義建立在普朗克常數(shù)或阿伏加德羅常數(shù)的基礎(chǔ)上，用玻耳茲曼常數(shù)重新定義開爾文，給定阿伏加德羅常數(shù)重新定義物質(zhì)的量的單位摩爾，給定基本電荷的量值重新定義安培。至2017年國際計量界實現(xiàn)了多項極限測量的突破，以最高不確定度水平實現(xiàn)對普朗克常數(shù)、阿伏加德羅常數(shù)和玻耳茲曼常數(shù)重新定值，用于SI重新定義。中國計量科學研究院在這三個基本常數(shù)測量方面均取得突破。特別是噪聲原級測溫法和聲學原級測溫法的玻耳茲曼常數(shù)測量結(jié)果，為基本單位開爾文的重新定義做出了關(guān)鍵性貢獻。

2018年11月16日第26屆CGPM通過對SI的修訂決議，SI中的四個基本單位千克、安培、開爾文和摩爾基于基本常數(shù)重新定義，實現(xiàn)了全部以自然常數(shù)（基本常數(shù)和原子常數(shù)）定義SI中的七個基本單位。各SI單位的大小在新舊定義更替之際不會發(fā)生可察覺的變化。新SI將于2019年5月20日世界計量日起正式生效。至此，以實物定義測量單位的時代終結(jié)，世界上使用的所有SI測量單位都用自然界的基本法則來定義，更具有穩(wěn)定性和普適性。這是國際單位制自創(chuàng)建以來的最重大的變革之一，是一個歷史性的里程碑。新定義將對科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

二 國際單位制的新定義[3]

其中，單位赫茲（Hz）、焦耳（J）、庫倫（C）、流明（lm）、瓦特（W）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·kg·s-3。

國際單位制的新定義在一定程度上是對基本單位的“隱性”表達。對七個基本單位等價的“顯性”定義見表1。其中以“直接”方式定義了兩個基本單位——采用以赫茲Hz（即s-1）為單位的頻率規(guī)定值定義了時間單位秒，基于阿伏加德羅常數(shù)NA定義了摩爾。在此基礎(chǔ)上，通過給定真空光速以單位m/s表示時的固定數(shù)值為299 792 458規(guī)定了長度單位米和時間單位秒之間的關(guān)系，以間接方式定義米。其余四個基本單位的定義也是以這種間接方式給出：千克、安培、開爾文和坎德拉分別基于普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻耳茲曼常數(shù)k和規(guī)定頻率的單色輻射的光視效能Kcd定義。

借助于國際單位所規(guī)定的兩個輔助單位——弧度和球面度，所有導出單位均可由若干基本單位的冪的乘積獲得。

基本單位英文定義和中譯文轉(zhuǎn)換關(guān)系

second秒The second， symbol s， is the SI unit of time. It is defined by taking the fixed numerical value of the caesium frequency ΔνCs the unperturbed groundstate hyperfine transition frequency of the caesium 133 atom， to be 9 192 631 770 when expressed in the unit Hz， which is equal to s–1.國際單位制中的時間單位，符號s。當銫頻率Δν（Cs），也就是銫133原子不受干擾的基態(tài)超精細躍遷頻率以單位Hz即s-1表示時，將其固定數(shù)值取為9 192 631 770來定義秒。1s=9 192 631 770/Δν（Cs）

metre米The metre， symbol m， is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458 when expressed in the unit m/s， where the second is defined in terms of ΔνCs.國際單位制中的長度單位，符號m。當真空中光速c以單位m·s-1表示時，將其固定數(shù)值取為299 792 458來定義米，其中秒用Δν（Cs）定義。1m=（c/299 792 458）s=30.663 318…c/Δν（Cs）

kilogram千克The kilogram， symbol kg， is the SI unit of mass. It is defined by taking the fixed numerical value of the Planck constant h to be 6.626 070 15 × 10–34 when expressed in the unit J s， which is equal to kg m2 s–1， where the metre and the second are defined in terms of c and ΔνCs.國際單位制中的質(zhì)量單位，符號kg。當普朗克常數(shù)h以單位J·s即kg·m2·s-1表示時，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Δν（Cs）定義。1kg=（h/6.626 070 15×10–34） m–2·s=1.475 521…×1040hΔν（Cs）/c

ampere安培The ampere， symbol A， is the SI unit of electric current. It is defined by taking the fixed numerical value of the elementary charge e to be 1.602 176 634 ×10-19 when expressed in the unit C， which is equal to A s， where the second is defined in terms of ΔνCs.國際單位制中的電流單位，符號A。當基本電荷e以單位C即A·s表示時，將其固定數(shù)值取為1.602 176 634×10-19來定義安培，其中秒用Δν（Cs）定義。1A=e/（1.602 176 634×10–19） s–1=6.789 686…×108Δν（Cs） e

kelvin開爾文The kelvin， symbol K， is the SI unit of thermodynamic temperature. It is defined by taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be 1.380 649 ×10-23 when expressed in the unit J K-1， which is equal to kg m2 s-2 K-1， where the kilogram， metre and second are defined in terms of h， c and ΔνCs.國際單位制中的熱力學溫度單位，符號K。當玻耳茲曼常數(shù)k以單位J·K-1即kg·m2·s-2·K-1表示時，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Δν（Cs）定義。1K = （1.380 649 × 10–23/k） kg·m2·s–2=2.266 665…Δν（Cs）h /k

mole摩爾The mole， symbol mol， is the SI unit of amount of substance. One mole contains exactly 6.022 140 76 × 1023 elementary entities. This number is the fixed numerical value of the Avogadro constant， NA， when expressed in the unit mol-1 and is called the Avogadro number. The amount of substance， symbol n， of a system is a measure of the number of specified elementary entities. An elementary entity may be an atom， a molecule， an ion， an electron， any other particle or specified group of particles.國際單位制中的物質(zhì)的量的單位，符號mol。1摩爾精確包含6.022 140 76×1023個基本單元。該數(shù)稱為阿伏加德羅數(shù)，為以單位mol-1表示的阿伏加德羅常數(shù)NA的固定數(shù)值。一個系統(tǒng)的物質(zhì)的量，符號n，是該系統(tǒng)包含的特定基本單元數(shù)的量度。基本單元可以是原子、分子、離子、電子、其他任意粒子或粒子的特定組合。1mol=6.022 140 76×1023/NA

基本單位英文定義和中譯文轉(zhuǎn)換關(guān)系

candela坎德拉The candela， symbol cd， is the SI unit of luminous intensity in a given direction. It is defined by taking the fixed numerical value of the luminous efficacy of monochromatic radiation of frequency 540 × 1012 Hz， Kcd， to be 683 when expressed in the unit lm W–1， which is equal to cd sr W–1， or cd sr kg–1 m–2 s3， where the kilogram， metre and second are defined in terms of h， c and ΔνCs.國際單位制中的沿指定方向發(fā)光強度單位，符號cd。當頻率為540×1012 Hz的單色輻射的光視效能Kcd以單位lm·W-1即cd·sr·W-1或cd·sr·kg-1 ·m-2 ·s3表示時，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Δν（Cs）定義。1cd=（Kcd/683）kg·m2·s–3·sr–1= 2.614 830…×1010Δν（Cs）2h Kcd

參考文獻

[1] CGPM. 26th CGPM Press Kit： Towards a historic revision of the International System of Units （SI） [EB/OL].（2018-11-16）[2019-05-05]. https：//www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/CGPMPressKit.pdf.

[2] BIPM. The International System of Units （8th edition）[EB/OL].（2006）[2019-05-05] http：//www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf.

[3] CGPM. 26th CGPM Resolution 1： On the revision of the International System of Units （SI） [EB/OL].（2018-11-16）[2019-05-05] http：//www.bipm.org/en/CGPM/db/26/1/.