INTRODUCTION

2018 年11 月,第26 屆國際計(jì)量大會(huì)(CGPM)經(jīng)國際計(jì)量局(BIPM)正式成員國表決,全票通過了關(guān)于國際單位制(SI) 修訂的“1 號決議”。根據(jù)決議,新SI 所有基本單位的定義都將建立在7 個(gè)常數(shù)上,從而使SI 以更高穩(wěn)定性、全球通用性、復(fù)現(xiàn)方法多元性等優(yōu)勢,滿足科學(xué)探索、技術(shù)發(fā)展等人類活動(dòng)在長遠(yuǎn)未來的需求。


根據(jù)決議,新SI 將于2019 年5 月20日起正式生效。新SI 到底改變了什么?為什么要做出這樣的改變?哪些用戶將受到影響或不受影響?新舊SI 更替之際需要我們做好哪些準(zhǔn)備?國際計(jì)量局(BIPM)梳理了關(guān)于新SI 最常被問及的21 個(gè)問題,并對這些問題進(jìn)行了權(quán)威解答。

Q1

修訂后的SI有什么變化?

A1:千克(kg)、安培(A)、開爾文(K)和摩爾(mol)將具有新的定義。這些新定義都經(jīng)過了精細(xì)的考量,因此各個(gè)單位的大小在新舊定義更替之際不會(huì)發(fā)生顯著變化。新的定義已在第26屆國際計(jì)量大會(huì)上經(jīng)國際計(jì)量局正式成員國表決通過,并將于2019年5月20日起正式生效。


Q2

修改SI定義的意義是什么?

A2:用基本物理常數(shù)重新定義千克將確保其具有長期穩(wěn)定性,進(jìn)而變得更加可靠。這是現(xiàn)行的千克定義所不能保證的。

安培和開爾文的新定義將極大提升與它們相關(guān)的電學(xué)量以及輻射溫度測量的準(zhǔn)確度。這將即刻對電學(xué)測量產(chǎn)生影響:目前最準(zhǔn)確的電學(xué)量需要依據(jù)約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)測出——而新的SI單位固定了普朗克常數(shù)h和基本電荷e的數(shù)值,使約瑟夫森常數(shù)和馮·克里青常數(shù)也具有了確切的數(shù)值。這將終結(jié)電學(xué)測量結(jié)果必須采用約定電學(xué)單位而不是SI單位來表達(dá)的局面(見A 14)。

新的開爾文和千克定義將固定輻射能量和熱力學(xué)溫度之間的轉(zhuǎn)換因子(斯特藩-玻爾茲曼常數(shù))的數(shù)值,這將引領(lǐng)溫度計(jì)量隨科技進(jìn)步。

新的摩爾定義將比現(xiàn)行定義更簡單,它將幫助SI的使用者更好理解“物質(zhì)的量”的數(shù)量及其單位的本質(zhì)??偠灾?,修訂后的SI將更好適應(yīng)21世紀(jì)的技術(shù)需求。


Q3

秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定義會(huì)如何?

A3:秒、米、坎德拉的定義將不變,但是它們的表達(dá)方式會(huì)有一定改變,以與千克(kg)、安培(A)、開爾文(K)和摩爾(mol)新定義的表達(dá)方式一致。這些新的表達(dá)方式通過了第26屆CGPM大會(huì)表決,并將于2019年5月20日起生效。


Q4

修訂后的SI生效后,國際千克原器(IPK)會(huì)怎么樣?它會(huì)被放在博物館里供大家參觀嗎?

A4:目前我們并不打算改變IPK的存放環(huán)境條件。它仍將保存在國際計(jì)量局,還不能接受公眾的參觀。由于IPK仍保持著一些計(jì)量學(xué)上的意義,所以未來對它的質(zhì)量監(jiān)測仍將是零星進(jìn)行的,從而盡可能避免監(jiān)測為IPK表面帶來損傷。未來對IPK質(zhì)量的測量或許可以幫助我們推斷IPK的質(zhì)量在過去一段時(shí)間的穩(wěn)定度。


Q5

今后我送檢質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器,它們在新SI框架下的校準(zhǔn)方式和過去一樣嗎?

A5:千克的新定義生效后,你可以和現(xiàn)在一樣將質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器送到所在國的國家計(jì)量院(NMI)或次級校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。但是,各個(gè)國家計(jì)量院用于鏈接到SI千克的溯源途徑會(huì)發(fā)生改變。

事實(shí)上,在千克重新定以后,國際計(jì)量局將繼續(xù)組織不同復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)方法間的國際比對,并根據(jù)比對結(jié)果得出千克的國際“共識值”。建有相關(guān)復(fù)現(xiàn)裝置的國家計(jì)量院必須在“共識值”的基礎(chǔ)上依據(jù)新定義進(jìn)行量值傳遞,直到其獨(dú)立復(fù)現(xiàn)的不確定度達(dá)到與“共識值”相當(dāng)?shù)乃?,以此來保持(各國?jì)量院簽發(fā)的)校準(zhǔn)證書的國際一致性,并保證證書符合《各國計(jì)量基(標(biāo))準(zhǔn)互認(rèn)和各國計(jì)量院簽發(fā)的校準(zhǔn)與測量證書互認(rèn)協(xié)議》(CIPM MRA)的原則和條款。

其它不能獨(dú)立復(fù)現(xiàn)千克的(國際計(jì)量局)成員國,則可以在“共識值”使用期間,通過國際計(jì)量局的校準(zhǔn)服務(wù)直接獲得(該國質(zhì)量基準(zhǔn)值)到同一個(gè)“共識值”的溯源性。


Q6

一旦各個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以獨(dú)立復(fù)現(xiàn)自己的千克量值,我們怎么能保證實(shí)驗(yàn)室之間的復(fù)現(xiàn)結(jié)果是可比的?


A6:就千克的情況來說,到了“共識值”不再有必要存在的階段,所有的實(shí)驗(yàn)室將需要證明其復(fù)現(xiàn)結(jié)果到千克新定義的溯源性——這個(gè)定義是基于常數(shù)的。由于實(shí)驗(yàn)帶來的不確定度常常有可能被低估或錯(cuò)估,因此所有聲稱自己可在最低不確定度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)千克的實(shí)驗(yàn)室,將必須通過定期與同行進(jìn)行比對來獲得復(fù)現(xiàn)結(jié)果的可比性。早在1999年,《各國計(jì)量基(標(biāo))準(zhǔn)互認(rèn)和各國計(jì)量院簽發(fā)的校準(zhǔn)與測量證書互認(rèn)協(xié)議》(CIPM MRA)就建立了(關(guān)于國際比對的)基本機(jī)制,這些機(jī)制在計(jì)量界應(yīng)用廣泛。


Q7

各國的國家計(jì)量院是否也必須利用“共識值”來傳遞其它三個(gè)重新定義的單位?


A7:不。千克是個(gè)特例。電學(xué)單位和開爾文的情況將在A14和A8進(jìn)行解答。對摩爾而言,當(dāng)前的應(yīng)用不會(huì)發(fā)生任何變化。


Q8

在修訂后的SI框架下,我送溫度計(jì)時(shí),它們的校準(zhǔn)方式和過去一樣嗎?


A8:是的。新的開爾文定義不會(huì)對國際通用的ITS-90和PLTS-2000溫標(biāo)的應(yīng)用現(xiàn)狀產(chǎn)生即刻的影響。(國際計(jì)量委員會(huì))溫度咨詢委員會(huì)(CCT)已經(jīng)發(fā)布了有關(guān)新定義即刻影響和未來優(yōu)勢的相關(guān)信息。


Q9

在修訂后的SI中,千克定義的參考常數(shù)是普朗克常數(shù)h,單位J s = kgm2s-1。但用一個(gè)自身單位就是千克的參考常數(shù)來定義它,不是更好理解嗎?這樣一來,我們就可以說“千克是<某種特定物質(zhì)>的質(zhì)量”,如特定數(shù)量的碳原子或硅原子質(zhì)量。這樣的定義不是更好嗎?


A9:這個(gè)判斷在某種程度上是主觀的。需要注意的是,用于單位定義的參考常數(shù)并不必須與單位的量值大小相同(盡管對于千克來說這樣做在概念上會(huì)比較簡單)。在現(xiàn)行SI中,我們實(shí)際上已經(jīng)用好幾個(gè)參考常數(shù)定義基本單位了。例如我們利用了參考常數(shù)——光速c在以m/s為單位時(shí)的數(shù)值來定義米,而不是用特定的長度來定義它。這個(gè)定義在目前看來并無不妥。這種(用常數(shù)定義單位的)方法始于1960年,當(dāng)時(shí)安培的定義是基于一個(gè)單位是kg m s-2A-2的常數(shù)的固定值。(修訂后的安培定義變得更簡單了)。

       盡管用物質(zhì)的質(zhì)量作為參考常數(shù)定義千克在直覺上更簡單,但使用普朗克常數(shù)具有其它優(yōu)勢。比如當(dāng)he的數(shù)值被確切地固定下來,約瑟夫森常數(shù)KJ和馮·克里青常數(shù)RK也可以隨之固定下來,電磁計(jì)量將顯著受益。(物理學(xué)告訴我們,如果我們想同時(shí)固定h和<某種特定物質(zhì)>的質(zhì)量,如碳12 的原子質(zhì)量m(12C),我們必須改用一種非常不切實(shí)際的方式來定義秒。)


Q10

拋開Q9的答案,仍然有人質(zhì)疑用h而不是用碳12的原子質(zhì)量m(12C) 定義千克是否合理。其中一個(gè)依據(jù)是:用于測定h值的基布爾天平[]實(shí)驗(yàn)需要用到一個(gè)操作復(fù)雜、造價(jià)昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置,而通過XRCDX射線晶體密度)實(shí)驗(yàn)測量硅28原子質(zhì)量(從而推導(dǎo)到碳12原子質(zhì)量)則相對簡單、便宜。所以選擇h而不是m(12C)作為千克定義的參考常數(shù)的根本原因是什么?


A10:這其實(shí)是兩個(gè)不相關(guān)的問題:1. 為什么選擇用h而不是用m (12C) 作為定義千克參考常數(shù)?2. 問題假定選擇h還是m (12C)決定了千克量值將由瓦特天平還是XRCD實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)。對嗎?

問題1:一旦物理常數(shù)的數(shù)值被固定下來,它不需要、事實(shí)上也不能被測量。舉例來說,1983年SI以真空中光速c為參考常數(shù)重新定義了米,立刻為人類測量光速的悠久歷史劃上句號。這極大造福了科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步,其部分原因是光速c涉及到科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域,每當(dāng)SI推薦的c值發(fā)生變化,與之相關(guān)、為數(shù)眾多的常數(shù)和轉(zhuǎn)換因數(shù)的數(shù)值也必須隨之更新?,F(xiàn)在看來,當(dāng)時(shí)固定c的數(shù)值的決議無疑是正確的。

類似的,h是量子物理的基本常數(shù),它的SI量值被許多現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域所廣泛使用。隨著實(shí)驗(yàn)水平的提升,更新h的推薦值在最好情況下也是惱人的,在最糟的情況下則令人費(fèi)解。固定h數(shù)值的根本原因與固定c的數(shù)值類似,但它除此之外還對電學(xué)計(jì)量有著特殊優(yōu)勢,見A2。

       當(dāng)然,m (12C)不可否認(rèn)是一個(gè)常量,而且它的值在化學(xué)和原子物理領(lǐng)域非常重要——因?yàn)樵恿浚ɑ瘜W(xué)家這么叫)或相對原子質(zhì)量(物理學(xué)家這么叫)均建立在m (12C)上。盡管如此,原子量并不依賴于現(xiàn)行千克定義,新定義不會(huì)對它造成影響。

問題2:不。參考常數(shù)的選擇與千克的復(fù)現(xiàn)方式無關(guān),2018年國際計(jì)量大會(huì)“決議1”中也并沒有體現(xiàn)任何復(fù)現(xiàn)方式。我們目前可以確定的是:一旦h成為新千克的參考常數(shù),那么所有的復(fù)現(xiàn)方式必須溯源到h。但是,我們同時(shí)也確定,h/m (12C) = Q,其中Q是多個(gè)常數(shù)的乘積,包括有確切數(shù)值定義的常數(shù)和需要通過實(shí)驗(yàn)測定數(shù)值的常數(shù)。根據(jù)這些常數(shù)目前的推薦值計(jì)算,Q的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度只有4.5×10-10。一套直接以h模式測量1千克標(biāo)準(zhǔn)并輔以長度、時(shí)間、電壓和電阻測量的裝置,比如基布爾天平,可以用于復(fù)現(xiàn)千克;而以m (12C)模式測量1千克標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方式,比如X射線晶體密度(XRCD)方式,也具有復(fù)現(xiàn)千克的潛力。這是因?yàn)閙 (12C)Q = h,通過測定m (12C)的方式得到h只需要(在m (12C)測量不確定度基礎(chǔ)上)付出合成Q的不確定度的代價(jià),而Q的不確定度(~4.5×10-10)對于新定義來說可以忽略不計(jì)?,F(xiàn)在斷言哪一種復(fù)現(xiàn)方法終將取勝或斷言不同方法將保持共存,都為時(shí)尚早。目前來說,所有這些實(shí)驗(yàn)都是復(fù)雜且昂貴的。


注:為了紀(jì)念天平發(fā)明者布萊恩·基布爾(Bryan Kibble)而命名。


Q11

與現(xiàn)行國際單位制(SI)相比,新SI中的7個(gè)基本量和單位會(huì)發(fā)生變化嗎?


A11:不,7個(gè)基本量(時(shí)間、長度、質(zhì)量、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度)以及對應(yīng)的基本單位(秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉)仍將保持不變。


Q12

SI中相互關(guān)聯(lián)的、具有特定名稱和符號的22個(gè)導(dǎo)出單位是否會(huì)發(fā)生變化?


A12:不,修訂后SI中22個(gè)具有特定名稱和符號的導(dǎo)出單位將保持不變。


Q13

SI中,用于表述單位的倍數(shù)或因數(shù)的詞頭名稱及符號(例如用“kilo(千)”代表103,用“milli(毫)”代表10-3,等等)是否會(huì)發(fā)生變化?


A13:不,這些詞頭名稱及符號不會(huì)發(fā)生改變。


Q14

修訂后的SI單位大小會(huì)發(fā)生變化嗎?


A14:不會(huì)。SI的修訂符合所謂的“連續(xù)性條件”,這使得SI基本單位的大小在修訂前后不會(huì)發(fā)生變化,因此所有由基本單位導(dǎo)出的單位大小也不變。(電學(xué)單位是個(gè)例外,會(huì)有一點(diǎn)很小的變化:自1990年起,實(shí)用的電學(xué)單位建立在約瑟夫森常數(shù)和馮·克里青常數(shù)的約定值,而不是它們的SI舊定義上。修訂后的SI將使得實(shí)用電學(xué)單位“重回SI”。這將一次性導(dǎo)致新SI中電壓量值發(fā)生+0.1ppm的變化,電阻量值發(fā)生+0.02ppm的變化。)


Q15

你們將如何通過固定h的量值來定義千克,或通過固定e的量值來定義安培,諸如此類?你們怎么知道它們應(yīng)固定到什么值上?如果你們突然發(fā)現(xiàn)選擇了錯(cuò)誤的值會(huì)怎么樣?

A15:我們并不固定——或修訂——任何用于單位定義的常數(shù)的量值?;疚锢沓?shù)的量值是天然不變的,我們只是固定每個(gè)常數(shù)在采用SI單位進(jìn)行表達(dá)時(shí)數(shù)值。我們通過固定基本常數(shù)的數(shù)值來定義常數(shù)測量單位的大小。

例如:若c是光速的量值,{c}是它的數(shù)值,[c]是單位,使

= {c} [c] = 299792458 m/s

則量值c是數(shù)值{c}和單位[c]的乘積,量值c永遠(yuǎn)不變。乘數(shù){c}和[c]或許會(huì)經(jīng)由其他方式重選以保障乘積c不變。

1983年,我們決定將數(shù)值{c}固定為299792458,并以此定義了速度的單位[c]= m/s。由于時(shí)間單位秒/s已經(jīng)(通過原子躍遷頻率)定義了,所以這主要起到了定義長度單位米/m的效果。新定義之所以選擇這個(gè)數(shù)值,是為了保證單位m/s的幅值不變,從而保證新舊單位的連續(xù)性。


Q16

好吧,你們實(shí)際上只是固定物理常數(shù)在使用新單位表達(dá)時(shí)數(shù)值。以千克為例,你們選擇固定普朗克常數(shù)以新單位[h] = kgm2s-1表達(dá)時(shí)的數(shù)值{h}。但問題是,如果在SI修訂不久后,有新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明你們選擇了錯(cuò)誤的{h}又該怎么辦?

A16:做出改變后,用于現(xiàn)行千克定義的國際千克原器(IPK)的實(shí)際質(zhì)量將通過實(shí)驗(yàn)來確定。如果我們選擇了“錯(cuò)誤的值”,它僅僅意味著新的實(shí)驗(yàn)告訴我們IPK的質(zhì)量在修訂后的SI中并不精確等于1 kg。

這種情況只會(huì)影響宏觀的質(zhì)量測量,不會(huì)對原子質(zhì)量以及其它與量子物理相關(guān)的常數(shù)的值產(chǎn)生影響。但如果我們?nèi)匝赜们Э嗽?889年一致通過的定義,我們將繼續(xù)承擔(dān)由參考值(即IPK的質(zhì)量)不穩(wěn)定帶來的后果——與真實(shí)不變的常量如原子質(zhì)量或普朗克常數(shù)相比,IPK的穩(wěn)定性是不確定的。

盡管關(guān)于IPK的質(zhì)量相比真物理常量究竟在這些年間變化了多少,人們?nèi)杂袪幾h,但是新定義的優(yōu)勢在于我們將確信,用千克定義的參考常數(shù)是真實(shí)不變的。


Q17

每個(gè)被用于單位定義的基本常數(shù)都有各自的不確定度;它的值并不能確切得知。但是新SI打算固定它們的確切數(shù)值?這是如何做到的?它們的不確定度呢?


A17:修訂前的SI將1 kg定義為IPK質(zhì)量的確切值,其不確定度為零:ur(mIPK) = 0;而普朗克常數(shù)的值是通過實(shí)驗(yàn)測定的,其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度大約是1.0×10-8,即ur(h)=1.0×10-8。

在新的定義中,普朗克常數(shù)的值是確定的,不確定度是0,而IPK的質(zhì)量將通過實(shí)驗(yàn)測得,并有約1.0×10-8的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。也就是說,不確定度并不會(huì)在新的定義中消失,只是如下表所示,轉(zhuǎn)移到舊的參考標(biāo)準(zhǔn)上了:

用于千克定義的常數(shù)

修訂前的SI

不確定度水平

修訂后的SI

不確定度水平

IPK的質(zhì)量,m(K)

精確等于 0

實(shí)驗(yàn)測得 ~1.0×10-8

普朗克常數(shù),h

實(shí)驗(yàn)測得 ~1.0×10-8

精確等于 0


Q18

普朗克常數(shù)的單位與作用量的單位相同:J s = kgm2s-1。我們?nèi)绾瓮ㄟ^固定普朗克常數(shù)的數(shù)值來定義千克?


A18:固定普朗克常數(shù)的數(shù)值實(shí)際上定義了作用量的單位:J s = kgm2s-1。因?yàn)槿绻覀円呀?jīng)通過固定銫原子超精細(xì)能級躍遷頻率(133Cs)hfs的數(shù)值定義了秒(s),通過固定真空中光速的數(shù)值定義了米(m),那么我們就可以通過固定單位kgm2s-1的大小來定義單位千克(kg)。


Q19

新SI 基本單位的定義不是循環(huán)定義嗎?這并不令人滿意吧?


A19:不,它們不是循環(huán)定義。循環(huán)定義是指用定義結(jié)果去建立定義。新SI中每個(gè)基本單位都是通過指定定義常數(shù)的數(shù)值來定義的,但并沒有用結(jié)果來建立定義。


Q20

與現(xiàn)行國際單位制(SI)相比,新SI中的7個(gè)基本量和單位會(huì)發(fā)生變化嗎?


A20:不,7個(gè)基本量(時(shí)間、長度、質(zhì)量、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度)以及對應(yīng)的基本單位(秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉)仍將保持不變。


Q21

物理常數(shù)c、he將具有固定的數(shù)值。但是這樣一來不是也同時(shí)固定了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的值嗎?這個(gè)值是不能被固定下來的!


A21:不是這樣的。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)仍將由實(shí)驗(yàn)測得。在SI中,精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)始終由c、h、eμ0決定。第四個(gè)常數(shù)是真空中的磁導(dǎo)率,在舊定義中定義了安培。但是在修訂后的SI中,μ0將通過測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)得出。


來源:中國計(jì)量科學(xué)研究院

原載于《中國計(jì)量》2019年第一期。

編譯:陳杭杭

原文鏈接: 

https://www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/faqs.html