国际单位制重新定义的目的是什么?

对国际单位制 (SI) 进行重新定义的目的是使其具备未来适应性。

如果我们将SI视为对所有量进行测量的基础, 我们希望这一基础在未来始终保持坚固。当一个体系承受始料未及的压力时, 它可能出现裂缝。当我们要求测量不断实现更高的准确度, 或者在极端环境下开展测量时, 如果测量单位在定义之初没有考虑到以上这些情况, 我们的单位制就会承受极大的压力。在变革之前, 世界各国已经用了数十年的时间用实验测试基础物理常数与单位制之间关系。试想一下, 那些在建造之初没有预见到需要应对如此沉重现代交通压力的桥梁和道路。

要对一个大于1千克的物体称重, 我们需要将更多的千克加在一起, 因此可重复性能够让你实现这种增加。反过来说, 对一个小于1千克的物体称重时, 我们需要对千克进行分割。分割得越小, 越难实现准确性。把一块巧克力切成20份也许很容易, 切成2000份就没那么简单了。然而, 许多行业已经开始进行微克甚至纳克级别的测量, 比如在医药业中, 确保片剂中的准确药量十分重要。我们的目标是确保所有尺度的测量都能实现同等级别的准确度。

这种数值与标准值相差甚远的测量问题对于温度测量而言更加严峻。现有定义是基于水三相点的定义值, 即冰、液态水和水蒸气共存时的温度 (定义为273.16K) 。当测量与水三相点相差巨大的温度时 (比如1500℃以上的加工金属) , 要想准确地测出这一温度比水三相点相差多少就变得异常困难。为了在全世界范围内建立可靠的测量方法, 目前我们使用一本所谓“食谱”中的不同方法与水三相点进行比对。然而在重新定义之后, 温度测量将不再需要与水三相点关联, 用户可以使用任意一种符合其要求的基本测量方法。这种变化尚不明显, 但是它将带来许多可能的技术进步。

作为测量基准的保存机构, 我们需要确保测量具有未来适应性和长期可靠性。

很难说它能带来什么, 我们认为如果我们有能力进行更准确的测量, 这将为其他活动奠定基础。未来适用性能够提振测量者的信心, 因为这些测量能保持相当长时间的稳定性。

需要注意的是, 未来我们有可能继续提升基本常数的测量准确度, 在此基础上需要改变末位数字或者增加一些位数。回顾100年前那些陈旧的实验和技术, 我们永远不确定未来是什么样。不过比起现在我们要对SI进行的变革而言, 这些变化不算什么。

当人们制造出原子钟进行更准确的时间测量时, 计算机技术仍处于萌芽期, 数字革命尚未出现。然而, 高度准确的计时是整个行业的基础, 没有它就没有互联网、移动电话和其他技术的成功。目前全球定位系统 (GPS) 的准确度受到时间标准传递能力的限制, 因此全世界正在共同努力推动GPS的进一步发展。

提升极小质量的测量能力将支撑医药行业, 该行业一直在追求实现更准确的药物剂量, 尤其是针对日益兴起的个性化用药。

SI变革不是瞬间革命, 而是长期的演变。

变革带来的即时影响非常小, 这一点非常重要。我们不希望将重大变革引入测量系统中。实际上, 除了安培, 变革对于测量单位的影响微乎其微。但是变革能保证SI单位的未来能力, 并在定义不变的情况下为未来发展奠定基础。

变革对于电学测量的影响是立竿见影的。安培的新复现方法将使用新的固定基本电荷。这将导致10的变化, 但是只会影响最高级别的校准实验室, 对安培的实际使用没有影响。

安培的新定义将基于电子的基本电荷, 我们认为基本电荷是一个基本自然常数。单位的复现方法是对通过一条导线的电子 (每个电子带有完全相同的基本电荷) 数量进行计数。因此, 在标准定义不变的情况下, 计数能力越高, 复现标准的准确度就越高。

我们挑选了一组基本常数作为SI的基础, 这些常数保持不变, 但是未来技术的进步将改变并完善复现过程。