国际单位制重大变革——带你认识新SI

国际单位制 (SI) , 是一个以7个基本单位为基础, 经过完善定义的, 用来测量这个世界的参考系统。如今, 这个已经得到近100个国家和地区采纳的体系正在经历重大变革, 新国际单位制将在不远的将来取代现有国际单位制。

我们知道, 测量结果可溯源性的核心是与基本单位定义之间一系列的完整连接。随着量子计量的迅猛发展, 通过对几个基本物理常数赋予固定值, 实现其所对应基本单位的重新定义, 以替换现存的实物原器 (比如千克原器) 。

基于不变的自然常数的新国际单位制使我们能够实现更接近终端用户的基本单位复现, 大幅缩短溯源链。同时支撑科技发展的前沿研究, 并为基础研究 (比如物理定律和常数的测定) 的进步提供稳定平台, 从而更好地应对21世纪的科学和技术挑战。

现有国际单位制由基本单位、导出单位和辅助单位组成, 其中7个基本单位分别是千克 (质量) 、米 (长度) 、秒 (时间) 、安培 (电流) 、开尔文 (热力学温度) 、摩尔 (物质的量) 和坎德拉 (发光强度) 。

一直以来, 秒和米在国际单位制中具有超然的地位, 因为秒和米基于始终不变的物理特性。比如, 秒基于铯原子的电子跃迁频率, 米的定义则是利用了光速的自然基础特性。使用基本常数作为定义单位的基础具有决定性优点, 因为正如它们的名字所显示的那样, 它们是始终不变的常数。相比之下, 最初人们使用铂金或铱金制造的原器来定义米长, 是很难实现一致性的, 因为温度的细微变化会导致米长的变化, 特别是当原器出现损伤时, 情况会更糟。在今天的高科技时代, 纳米尺度已极为常见, 因此米长的定义对科技具有重大影响, 使用一个基本常数来定义米长就成为最好的解决方案。

在目前使用的单位制中, 基本常数的数值是经过实验测定的。我们使用千克的定义, 对一个质子、一个电子, 或其他基本粒子的质量进行测定。由于我们的测量能力反映在这些数值中, 因此, 随着测量能力的变化, 基本常数被赋予的值也处于不断变化的状态。

因此, 科学与技术数据委员会 (CODATA) 成立了基本常数任务组, 负责评估世界各国计量机构及相关实验室所测量的基本常数值, 并进行相互比对。比如, 电子电荷每4年会被赋予一个新值, 实际上电荷本身不会有任何变化, 变化的是测量技术的发展和我们对世界认知水平的提升。

国际单位制的修订会带来一系列的变革, 在新单位制中, 单位不再是一成不变, 而是能够基于特定基本常数进行计算。因此, 为了确保从现有单位制到新单位制的顺利过渡, 全世界的计量机构和实验室正在对这些常数进行最后的测定, 以确保最大准确度。目前, 世界各国的国家计量院正在以合作竞争的方式开展相关实验。最终, 除了已经被定义的铯原子钟频率和光速之外, 将被赋予新固定值的常数包括普朗克常数h, 阿伏伽德罗常数NA, 玻尔兹曼常数kB和基本电荷e。

实际上千克早就过时了, 因为它一直沿用19世纪末以来保存在位于巴黎的国际计量局保险柜中的特殊金属圆柱体的质量。全世界所有的千克都以这个千克原器为基准, 不仅如此, 摩尔或安培等其他单位也取决于千克。如果千克出现问题, 其他单位也随之遭殃。由于现有的千克原器是实物量具, 是一个物体, 任何一个宏观物体必然会发生变化, 千克原器本身以及米制公约各成员国收到的千克复制品也不可避免会遵从这一规律。今天, 如果说没有人知道精确到微克的1千克究竟是多少, 这听起来虽然自相矛盾, 却也充分说明了问题所在。这种窘况促使计量学家们决心研究解决这一问题。

研究人员设计了两种基于不同原理的实验来确保千克未来的稳定性。一种方法利用了电学量子效应, 被称为“能量天平实验”, 它测定的是普朗克常数h的值, 目前世界上开展这一实验的主要是加拿大、美国和英国的国家计量机构。另外一个方法的原理是将一个原子的质量与一个宏观质量联系起来。当原子位于一种单晶结构中时, 能够对大量原子进行计数。这种能直接产生阿伏伽德罗常数, 基于一个晶体硅球的实验被称为“阿伏伽德罗实验”。尽管这两种实验之间存在科学竞争, 但它们最终将殊途同归。只有在这两种实验的结果相互一致的情况下, 才能定义新的千克。

计量界每4年都会举行一次全球计量盛会。米制公约的成员国和附属成员国派出其政府和科学代表团来到巴黎参加“国际计量大会” (CGPM) , 共商计量发展未来之路。国际单位制的变革不仅需要科学界的良好基础, 政治层面的共识对其在科学中的实施同样重要。毕竟, 我们希望测量单位始终作为用于所有商业和科学活动的基础工具。任何单位制的变革都对所有技术领域的“测量经济”和所有民众产生即时影响, 这些民众就是那些日常生活经常处于“被测量”状态的消费者、客户或者病人。因此, 国际计量大会所做出的关于测量系统的决策不能是随意的, 而必须是经过长期充分的预先准备和考虑。特别是即将于2018年11月举行的国际计量大会, 大会议程包含对国际单位制基本修订方案的采纳。在前几次国际计量大会中已经阐明了新国际单位制的前提和要求, 并为相关计量机构制定了目标。目前看来, 这些计量机构能够达到设定的目标, 包括实现足够小的测量不确定度。如果一切进展顺利, 经过修订的新国际单位制将于2018年在巴黎举行的国际计量大会上得到采纳, 并计划于2019年5月20日 (世界计量日) 正式生效。

新国际单位制代表科学史中的重要里程碑, 在可预见的未来, 新定义生效后, 新国际单位制同样代表技术史中的重要里程碑。同时, 由于其全球有效性, 新国际单位制更是人类文明史中的重要里程碑。今天, 我们的生活由一个单一且统一的测量系统所定义, 覆盖科学及日常生活的各个领域。从2018年开始, 新国际单位制将带动人类的步伐迈向地球之外的广阔空间。基于基本物理常数的单位定义原则上将成为宇宙通用, 仅从系统性角度来看, 这象征着重大的科学进步。“系统性”指的是国际单位制的应用范围, 同时代表其内在逻辑性。比如说, 新国际单位制将不再区分基本单位和导出单位, 所有单位都是从基本常数中“导出”的, 因此, 所有单位都是等效的。

对于科学界来说, 新定义一经采纳就会产生即时影响。在技术领域, 进步的突显需要更长时间。更重要的是, 新国际单位制中不会出现任何内在技术壁垒。在现存单位制中, 如果千克原器的质量发生了某一量级的变化, 那么这一因素会限制能够达到的最高准确度。相反, 由于基本常数始终与固定值对应, 新国际单位制将不会受制于这种变化。因此, 千克定义将不再受实物量具任何可能的质量漂移的影响。所有的电学单位 (包括安培) 将包含在利用约瑟夫森和量子霍尔效应, 或者数单位时间电子个数的量子复现体系中。摩尔将利用某种物质粒子的固定值 (阿伏伽德罗常数) 进行定义。因此, 在新国际单位制体系中, 单位的基础定义不变的情况下, 如果测量更加精确, 单位的复现也将更加准确。在高科技时代, 这一面向新国际单位制的技术开放对于未来所有关于精确度的进步极为有利。

对于大多数普通民众来说, 我们的日常生活不会有太大变化。新定义被采纳后, 我们生活中的测量活动跟以前没有明显不同, 单位制中的变化在生活中是潜移默化的。新定义生效后, 超市中的电子秤和油站的加油泵该怎么用还怎么用。无论是实验室中的全血细胞计数还是工业大尺寸坐标测量机, 新定义不会让它们显示不一样的数值。对单位制修订最重要的要求就是这一修订过程要平缓过渡, 不能对任何测量服务造成影响和中断。尽管计量学家对于新单位制的系统性特质激动不已, 但是, 国际单位制作为一个与日常生活息息相关的理论结构, 它必须是一个用于实际工作并实现技术日常可管理化的体系。对于普通人来说, 新国际单位制带来的真正好消息是大范围的全球共识, 即千克、开尔文及其他单位终于有了坚实基础。对于那些出口依赖型国家来说, 再没有什么能阻挡他们与全世界甚至全宇宙进行活跃的商业往来。