國際單位制IS迎來歷史性的變革

2020-12-18 市場監督管理半月刊

國際單位制是什麼?

國際單位制SI是從「米制」發展起來的國際通用的測量語言,是人類描述和定義世間萬物的標尺。國際單位制規定了7個具有嚴格定義的基本單位,分別是時間單位「秒」、長度單位「米」、質量單位「千克」、電流單位「安培」、溫度單位「開爾文」、物質的量單位「摩爾」和發光強度單位「坎德拉」。它們好比7塊彼此獨立又相互支撐的「基石」,構成了國際單位制的「地基」。日前,第26屆國際計量大會通過了關於修訂國際單位制的決議。根據決議,千克、安培、開爾文和摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷、玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數來定義,加之之前對另外3個基本單位的重新定義,至此組成國際計量單位制的7個基本單位均實現了由「常數」定義,全部告別了採用實物計量的歷史。

對大多數人來說,國際單位制是「不變」的。除電學單位外,新定義下各個單位大小和舊定義幾乎完全一致。事實上,電學單位的改變也微乎其微,電壓單位的變化約為正千萬分之一,電阻單位的變化則更小。但這只會影響對測量不確定度要求最高的頂尖計量機構和校準實驗室。

新的國際單位制是什麼樣子

目前,第26屆國際計量大會通過了關於修訂國際單位制的決議。根據決議,千克、安培、開爾文和摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷、玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數來定義,加之前對另外3個基本單位的重新定義;至此組成國際計量單位制的7個基本單位均實現了由"常數"定義,全部告別了採用實物計量的歷史。

從新定義的深層意義來看,國際單位制的變化無疑又是「巨大」的。

首先,新定義用自然界恆定不變的「常數」替代了實物原器,保障了國際單位制的長期穩定性。以千克的現行定義為例,1千克精確等於國際計量局保存的國際千克原器(IPK)的質量。據國際計量局數據顯示,國際千克原器服役近130年來,它的質量與各國保存的質量基準、國際計量局官方作證基準的一致性出現了約50微克的偏差,但國際千克原器的質量是否發生了變化,具體變化了多少至今仍是一個謎。用基本物理常數普朗克常數h重新定義千克後,質量單位將更加穩定,我們不必擔心國際千克原器質量漂移可能給全球質量量值統一帶來的問題。

第二,「定義常數」不受時空和人為因素的限制,保障了國際單位制的客觀通用性。物理定律是放之宇宙而皆準的,但測量卻有不少的人為因素。最早的千克是用1個標準大氣壓下1立方分米純水在4攝氏度時的質量定義的,這實際上受到了溫度、氣壓、水和容器等環境因素和測量過程的限制。人們在19世紀末採用最先進的材料和工藝打造了國際千克原器,目的也是為了規避這些限制。但是,國際千克原器有且只有一個,無論它的質量是否發生漂移,各國計量院仍須以它為準,定期到位於法國的國際計量局校準自己的千克原器。新定義生效後,理論上任何地方的任何人,都可以根據定義復現1千克,而且,我們今天在北京復現的量值,和我們的子孫後代未來在火星上復現的量值將是一致的。

第三,新定義可在任意範圍復現,保障了國際單位制的全範圍準確性。以前最準確的千克只有1千克一種,要對一個大於1千克的物體稱重,我們需要將1千克進行重複累加;要對一個小於1千克的物體進行稱重,則需要將1千克進行分割。累加和分割的過程都會給量值的準確性帶來損失。新的定義則不受此限制。

第四,新定義不受復現方法限制,保障了國際單位制的未來適用性。在新的國際單位制中,測量的兩個重要概念,即單位定義和測量(或復現)方法是分離的。換言之,1米有多長和用尺子量還是用雷射測無關。新定義生效後,千克可以通過任何適當的方法復現,比如基布爾天平法和X射線晶體密度法——這兩種方法是目前世界上測量準確度最高的復現方法,即使未來有更好的實驗方案出現,單位的定義也不會因此受到影響。

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