关于原子时、SI及国际计量变革,你应该知道

人们对自然界的认识一直与自然现象紧密相关, 时间也不例外。自古以来, 人们就使用春夏秋冬的四季轮回来定义“年”;太阳的东升西落来定义“日”;一日又分为十二个时辰, 我国在北宋时开始将每个时辰分为“初”、“正”两部分, 分十二时辰为二十四, 称“小时”。直到20世纪六十年代, 时间的基本单位———“秒”一直被定义为一个平太阳日的1/86400, 也就是人们通常说的天文秒。以天文秒为基本单位建立的时标就是世界时。1956年10月, 国际计量委员会 (CIPM) 采纳了新的秒定义:秒是指1900年1月0时 (12小时历书时) 的回归年的1/31556925.9747。然而, 长期的天文观测发现, 地球的自转和公转运动的周期不是恒定不变的, 一天的时间在每个世纪变长了1.7ms。

19世纪初, 随着物理学的快速发展, 特别是量子物理学的建立, 物理学家们认识到:原子内电子能级间的特征跃迁频率, 具有比天文现象高得多的稳定度, 更适合于作为频率标准/时间标准。科学家们用当时尽可能准确的天文秒长作“尺子”, 尽可能准确地测量133Cs原子相应能级间的跃迁周期数。在1个天文秒里, 他们数出铯原子的133同位素“振动”了9192631770次。

1952年, 全球第一台原子钟在英国面世。其后, 更多先进的原子钟在美、法等国问世。鉴于原子钟卓越的准确度和稳定性, 1967年第13届国际计量大会 (CGPM) 重新定义了“秒”———用铯133Cs原子基态两个超精细能级间的跃迁频率替代了原有基于地球公转和自转的秒。这标志着原子时的诞生, 宣告着一个以量子定义时间的新时代正式到来。从此, 原子时取代了天文时, 人类测量时间不再依靠观星星测太阳了, 实验室型铯原子基准钟成为复现秒定义的手段。今天, 全球最好的铯原子喷泉钟不确定度已经达到了10量级, 比地球运动的稳定性高8个数量级, 相当于几亿年不差一秒。

秒是基本单位中准确度最高、应用最广、最适于远程传递的一个。长度单位米、电压单位伏特, 已经实现了以时间频率定义, 如果将其他物理量转化成时间频率测量, 则有望大幅提高测量准确度!

国际单位制 (SI) 是全球统一的计量单位制, 是构成国际计量体系的基石。国际单位制的核心是7个基本单位, 即时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。

SI单位是全球测量基础, 由于测量在科学、技术和我们的日常生活中无处不在, 因此这些测量基础十分重要, 这些测量基础给我们带来信心。比如, 我们去超市, 不会带着自己的秤去检查, 而是会完全信赖商店中食品标签上显示的重量。虽然这些重量由交易标准进行规范, 但是最终实现可信测量的是靠SI质量单位这一基础来支撑的。

国际单位制最早形成于19世纪, 伴随着科技发展, 发生了多次重大变革, 并带动了国际计量体系和国际测量技术规则的不断完善。

国际计量大会 (CGPM) 每4~6年举行一次全部成员国派代表参加的大会。CGPM基于国际计量委员会 (CIPM) 的建议, 接受、讨论并认可关于SI的新进展。

国际计量委员会 (CIPM) 由CGPM提名的来自拥有较高科技地位国家的18位委员组成, 每年举行会议, 并对关于SI的行政和技术事务提出建议。由58个成员国和41个附属成员国代表通过多个委员会共同努力, 为实现共同利益确保测量的相互间可比和一致。

位于法国的国际计量局 (BIPM) 是国际计量的中心, 保存着国际千克原器。BIPM为CGPM的成员国提供计量服务, 并为CIPM出谋划策, 为国家或区域性计量机构提供协调服务, 并为其组织正式会议。最初BIPM的主要计量任务是将各国的米和千克原器与定义SI的国际原器进行定期比对和重新校准, 如今它的主要角色是全球计量体系的中枢。

现行的国际单位制下, 许多测量都源自实物原器, 比如米尺、砝码等。国际千克原器 (IPK) 是目前仅存的定义质量单位“千克”的实物原器。实物原器可能会发生变化, 被损伤或毁坏。目前, 全世界各国的国家千克原器需要定期运送到位于法国的IPK保存地BIPM, 对其进行重量比对。运送原器这一行为本身就会给各国的原器带来风险。同时更重要的是IPK的质量很不稳定, 并且从1889年起它就可能开始产生未知的变化, 但它却仍然保持着定义标准的地位。

测量的两个重要方面包括单位的定义 (比如厘米) 和用于测量的方法 (比如用尺子) 。如果将两个概念分离, 定义能够保持稳定, 同时在不需要对体系进行重大修订的情况下也能实现更完善的复现过程。

20世纪80年代开始, 量子力学的发展催生了国际单位制又一次重大变革, 国际计量界决定对国际单位制基本单位进行重新定义。自2018年起对国际单位制基本单位将予重新定义。将国际单位制的7个基本单位与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来, 以量子物理为基础的自然基准取代实物基准, 这样就不会受到空间和时间改变的影响, 同时测量准确度等技术指标得以大幅度提高, 带动大部分量的测量准确度得到提高, 进而对科技的进步和经济社会的发展产生重大促进。SI重新定义将成为未来创新的跳板。如长度单位, 历史上曾经以一个国家君主的身体尺寸确定, 不同君主差别很大;后来确定为地球子午线的四千万分之一, 制作的国际米原器保存在国际计量局, 准确度可以达到0.1微米, 也就是千万分之一米, 大约相当于一根头发直径的千分之一;现在米定义为光在真空中1/299792458秒 (接近三亿分之一秒) 所走的距离, 并建立了自然基准, 准确度比国际米原器又提高了几千倍。

2018年, 国际计量单位制将重新定义, 计量技术体系也将经历历史性变革, 世界测量技术规则将予重构, 国际计量变革的意义重大。由此带来的影响广泛而深刻。

作为国际计量单位制的基础、核心和关键, 时间频率基准已率先完成量子化变革, 其定义从“天文时”转变为基于原子能级跃迁的“原子时”, 测量准确度迅速提升了1000万倍以上。正是基于时间定义的量子化变革, 实现了卫星导航定位, 其准确度更是达到了厘米级别, 成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。时间定义的变革还将快速催生长度、电学、温度、质量等单位的重新定义。例如, 长度单位“米”不再是传统米尺, 而定义为激光在真空中三亿分之一秒所走距离, 由此使长度测量进入了原子级别。伴随测量准确度大幅提升, 一大批革命性的新技术由此诞生, 带来产业的跨越式发展。如精准测量支撑了纳米技术和石墨烯的应用、提升了先进制造中航空发动机的准确度、推动了精准医疗产业的发展、决定了核潜艇侦测和隐身技术的竞争成败等。

开展与国际单位制有关的基础前沿研究一直是我国的国家计量院———中国计量科学研究院科研工作的一个重点。该院从20世纪80年代起陆续启动了电学量子基准、铯原子喷泉钟、光钟等的研究;2005年以来开展旨在应对SI重新定义的部分基本物理常数精密测量的研究工作。目前已在多个领域实现重大创新和突破, 为我国实质性参与国际基本单位的重新定义做出了重大贡献。如在时间领域, 目前我国的国家秒长基准装置是中国计量科学研究院研制的NIM5铯喷泉钟, 其准确度相当于2000万年不差1秒;该院正在研制NIM6, 预计2018年完成, 届时准确度也会达到6000万年不差一秒。基于新的原理的光钟比铯原子钟具有更好的稳定度和准确度潜力, 2015年9月, 中国计量院研制的锶原子光晶格钟准确度相当于1.38亿年不差一秒。

计目前玻尔兹曼常数和普朗克常数的最新测量结果已被CODATA所采用。在温度领域的波尔兹曼常数测量方面, 目前国际上只有中国计量科学研究院和美国NIST能够做到同时采用两种不同方法获得高水平的玻尔兹曼常数测量结果并相互印证, 为温度单位“开尔文”重新定义作出了中国贡献。

单位及其对应的常数

在新国际单位制中, 七个基本常数将被赋予固定值。这些数值于2017年7月1日之前从CODATA中产生, 并正在为重新定义进行分析和评估。以下数据来自2014年的CODATA数据库, 没有显示不确定度:

●铯133原子基态的超精细结构跃迁的频率

Δν=9192631770s

●真空中的光速

c=299792458ms

●普朗克常数

h=6.626070040×10Js (Js=kgms)

●基本电荷

e=1.6021766208×10C (C=As)

●玻尔兹曼常数

k=1.38064852×10JK (JK=kgmsK)

●阿伏伽德罗常数

NA=6.022140857×10mol

●频率为540×10Hz的单色光辐射的发光效率Kcd为683流明每瓦

▲秒 (s)

1s=9192631770/Δν

▲米 (m)

1m= (c/299792458) s=30.663318……c/Δν

▲千克 (kg)

1kg= (h/6.626070040×10) ms=1.475521……×10hΔν/c

▲摩尔 (mol)

1mol=6.022140857×10/NA

▲安培 (A)

1A=e/ (1.6021766208×10) s=6.789687……×10Δνe

▲开尔文 (K)

1K= (1.38064852×10/kB) kgms=2.266665Δνh/k

▲坎德拉 (cd)

1cd= (Kcd/683) kgmssr=2.614830×10 (Δν) h Kcd