關於SI,你需要知道這些

　　

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　　第26屆國際計量大會(CGPM)經各個成員國表決，最終通過了關於「修訂國際單位制(SI)」的1號決議。根據決議，SI基本單位中的千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA定義。國際計量局梳理了關於SI的常見問題，中國計量科學研究院工作人員進行了專業翻譯。

為什麼測量很重要?
　　測量影響我們日常生活的方方面面。
　　我們所接受的醫療服務，離不開精密的測量，比如血液中化學成分的濃度或X光的強度。
　　我們所使用的衛星導航系統，離不開時間測量，這是由衛星上超精密時鐘完成的。
　　我們所購買的尺寸完全匹配的零件，與螺栓匹配的螺母，一塊塊剛好連接在一起的樂高積木……
　　在上述這些場景中，乃至其他成千上萬個場景中，全球統一的測量體系給我們生活帶來了極大的便利。
　　測量是將被測量與標準量進行量化比對的過程。測量結果由數值和一個或多個測量單位組成，比如一輛車正以每秒10.4米(m/s)的速度行駛。
　　當一個測量數值與一個或多個單位同時使用時，我們就可以知道這是哪個方面的(如質量、長度或時間)測量以及測量數值的大小。

什麼是SI?
　　國際單位制(SI)是全球一致認可的測量體系。SI由7個基本單位以及許多導出單位組成。SI單位可以表示任何領域的測量結果，如物體的物理尺寸、溫度和時間等。
　　無論是米還是秒，國際單位制必須確保所有日常使用的測量單位，在全球範圍內都是可比的、一致的。時間的測量相差零點幾秒鐘，也許不會影響義大利麵的烹調口感，但對於誰贏了奧運會的百米短跑項目或高頻的股票市場交易卻是非常重要的。
　　建立測量標準，不僅使測量結果具有一致性和準確性，還可以幫助社會建立誠信體系。舉例來說，我們每天都在使用「千克」。對「千克」定義後，我們就能知道商店所售食品的重量是多少，從而相信商店沒有缺斤短量。再如，服藥劑量的多少，特別是測量值非常小的情況下，都離不開測量的一致性。

SI的發展歷程是怎樣的?
　　SI的前身——十進位米制，於1799年7月22日創立。當時「米」和「千克」的兩臺鉑金標準器至今保存在巴黎的法國國家檔案館。
　　1869年，拿破崙三世批准成立了國際科學委員會，負責宣傳新的米制測量體系以促進貿易。同年11月16日，法國政府邀請世界各國加入國際米制委員會，約有30個國家加入，並於1870年召開首次會議。
　　正是這個組織後來推動了17個國家於1875年5月20日在法國籤署《米制公約》。儘管該公約以「米制」命名，但它實際上約定了三個單位：基於實物標準器定義的米和千克，以及基於天文時定義的秒。
　　1889年，國際米原器、國際千克原器和天文秒作為米、千克、秒三個基本單位的定義基礎，組成了最早的國際測量體系。1926年，該體系又引入了安培，SI就包含了4個基本單位，分別為米、千克、秒和安培。
　　1960年，該體系被正式命名為國際單位制，縮寫為SI。

為什麼說SI很重要?
　　SI是全球測量結果一致、可靠的基礎，為貿易、製造業、創新和科學發現提供計量支撐。
　　SI為創新提供了新的機遇。得益於更高的測量精度，我們才能開發更先進的科技方法，獲得更深刻的科學知識，對社會發展產生了積極作用。例如準確測量溫度。我們能夠更加準確地測量長時間範圍內微小的溫度變化，這樣就能更精確地監測和預測氣候變化。例如更加準確地測量藥物劑量。製藥行業需要小劑量的測量標準，為病人提供更合適的藥物劑量。
　　SI支撐未來創新。隨著測量能力的提升，測量標準也應隨之提高。例如，全球衛星導航系統(GPS)的準確性與我們使用秒來測量時間的能力有關。基於秒的定義和原子鐘對秒的復現，我們才能夠測量時間，使用GPS進行有效定位。精確導航之所以能夠實現，正是因為我們有了更準確的秒定義，儘管在修訂秒定義的時候，我們還不知道它將可以用在哪裡。原子鐘的出現早於計算機技術的騰飛。現在，準確的計時已成為工業領域的基礎部分，如果沒有準確計時，網際網路、行動電話以及其他技術將無法可靠運轉。

測量單位是如何定義的?
　　最早的時候，測量單位是基於實物或物質的特性來定義的。比如，「米」最早就是用一根剛好1米長的金屬棒定義的。
　　但是，這些實物會隨著時間推移或環境改變而變化，不能滿足當今科學研究與技術應用對測量準確度的需要。上世紀以來，科學家們測量了自然界的基本常數，如光速和普朗克常數，準確度越來越高。他們發現這些常數比實物更加穩定，並將這些常數的數值固定下來。這些自然常數不會發生變化，至少比實物穩定100萬倍。
　　測量界一直以來都在致力於建立一個不依賴於物理實物的完整測量體系。隨著最後一個實物基準「千克原器」退出歷史舞臺，千克基於普朗克常數重新定義，測量界的夙願得以實現。

我們為什麼需要更準確的定義?
　　隨著科學的進步，我們需要，當然也可以實現更準確的測量，而相應的標準裝置和定義也應跟得上。1889年工業革命時期，千克的定義是由物理實物來確定的，是一個鉑銥合金圓柱體。千克也是SI單位制中最後一個仍由實物來定義的基本單位，千克原器的穩定性一直頗受關注。近年來，用物理常數重新定義千克的呼聲越來越高。
　　我們目前正處於量子或數位化革命的開端。用常數定義測量單位，意味著這些定義將適應下一代科學發現的需要。

SI單位制的7個基本單位是什麼?
　　千克(kg)-質量的基本單位米(m)-長度的基本單位秒(s)-時間的基本單位安培(A)-電流的基本單位開爾文(K)-熱力學溫度的基本單位摩爾(mol)-物質的量的基本單位坎德拉(cd)-發光強度的基本單位

SI重新定義指什麼?
　　國際計量界在2018年11月13日至16日舉行的國際計量大會上，就修訂SI達成一致。
　　因此，SI定義將更加實用。所有的SI基本單位將通過可在自然界常數來定義(比如光速、普朗克常數和阿伏伽德羅常數)。用這些不變的常數作為測量的標準基礎，意味著這些單位的定義在未來也是可靠的、不變的。

我們為什麼需要這樣的改變?
　　自啟蒙時代起，測量界就致力於建立一個寰宇通用的測量體系。用實物作為SI基本單位定義的基礎，一直是一個可行的方式，但也是測量界想要儘早摒棄的方式。因為實物很容易受到人為或環境因素的損壞，它們是不穩定的。
　　SI的修訂第一次使所有的基本單位都建立在自然界的基本物理常數上。由這些自然常數組成的寰宇通用的測量基礎，將使科學界、工業界和人類社會擁有一個更加可靠、一致、全範圍(大至很大，小至很小)的測量體系。
　　SI將通過兩種方式創造一個更加穩定的、經得住未來考驗的測量體系。
　　公式中將不再出現物理實物。現行的千克定義，是以保存在BIPM的國際千克原器(IPK)為基礎。此次SI修訂後，將不再需要這一實物。
　　基本單位的定義將首次獨立於它們的復現方式。以前當我們有了更好的復現單位的方法後，這些單位的定義將隨之改變。而現在，單位的定義不會隨復現方法的改變而變化，相反會一直保持不變。以安培為例，其現行定義是「兩條間隔一定距離的導線間的電磁作用力」，這是採用復現方式來定義的。但是，隨著發現約瑟夫森效應和量子化霍爾效應後，安培可以通過更好的方式復現，舊的定義方式也就過時了。

SI的7個基本單位會變化嗎?
　　不會，7個基本單位(秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉)以及它們所對應的基本常數(銫-133原子基態的超精細能級躍遷頻率DνCs、真空中光的速度c、普朗克常數h、基本電荷e、玻爾茲曼常數k、阿伏伽德羅常數NA)都將保持不變。

此次SI修訂發生了什麼變化?
　　千克(kg)、安培(A)、開爾文(K)和摩爾(mol)被重新定義。
　　新定義影響4個基本單位：
　　千克用普朗克常數(h)定義；
　　安培用電子電荷(e)定義；
　　開爾文用玻爾茲曼常數(k)定義；
　　摩爾用阿伏伽德羅常數(NA)定義。
　　用基本物理常數定義千克，將保持長期穩定與可靠。而現行千克定義穩定與否，則是存疑的。

SI的其他3個單位呢?
　　秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定義保持不變，但是定義的表達方式會有一定改變，以與千克(kg)、安培(A)、開爾文(K)和摩爾(mol)的新定義的表達方式保持一致。

其他22個具有特殊名稱和符號的導出單位呢?
　　在修訂後的SI中，它們將保持不變。

新定義將在什麼時候生效?
　　新定義將於2019年5月20日世界計量日開始生效。

SI修訂對實際應用有什麼影響?
　　從表面上看，似乎沒有太大變化。這好比你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上是不可能看到任何變化的，但可能已經發生了實質性變化，房子更加耐用了。
　　這些變化是為了保證SI單位制經受得住時間的考驗，不管未來技術如何發展，其定義將始終保持不變。

哪天是世界計量日?
　　每年5月20日舉行世界計量日活動，世界上80多個國家都在這一天慶祝測量為我們日常生活帶來的影響。
　　全球計量界一直致力於保障全球測量結果的準確性。在這一天，他們一道向公眾宣傳可靠的測量器具有什麼影響，發揮什麼作用，旨在提升公眾計量意識。2018年國際計量日的主題是「進無止境——國際單位制的量子化變革」。
　　1875年5月20日，17個國家籤署了世界上第一個關於測量的協定——《米制公約》，統一協調與測量相關的活動，標誌著國際計量合作的正式開始。
　　在《米制公約》的框架下，成立了CGPM、CIPM和BIPM。

由誰決定SI及其修訂的相關事宜?
　　1875年《米制公約》的籤署標誌著國際計量局(BIPM)的成立。BIPM受國際計量委員會(CIPM)監管，CIPM本身則受國際計量大會(CGPM)監督。
　　CGPM大會每3年至6年召開一次。全部60個成員國代表齊聚一堂，聽取CIPM提出的建議，共同討論並決定是否對SI進行修訂。
　　CIPM由18名來自不同國家的委員組成。每位委員都是相關計量領域的資深專家，由CGPM大會提名選出。從建立至今，CIPM一直負責有關SI的決議草案，致力於為當今和未來的測量建立可靠的基礎。BIPM目前共有60個成員國，42個附屬成員國和經濟體。
　　BIPM局址位於法國塞夫勒，配有實驗室，為各成員國提供計量服務。此外，BIPM還負責協調和聯絡各類計量活動。CIPM及其各個專業諮詢委員會的秘書處也設在BIPM。BIPM的初衷是建立並保存SI單位的基準原器，所以目前國際千克原器正保存於此。

新定義對復現千克有何影響?
　　千克將基於普朗克常數定義，以保證SI質量單位的長期穩定。新定義生效後，千克可以通過任何適當的方法復現，比如用基布爾天平(瓦特天平)法和阿伏伽德羅(X射線晶體密度)法復現。用戶們可以從相關機構(如BIPM、國家計量院以及認可實驗室)獲得基準量值，直接溯源至SI。通過國際比對，保證測量結果的一致性。
　　普朗克常數的數值確定後，質量的單位千克在重新定義後也不會發生變化。各國計量院向客戶提供校準服務。

新定義對復現安培有何影響?
　　目前在實際操作中，安培和其他電學單位的復現，已處於最高計量水平。當安培被重新定義之後，他們的復現要與新定義完全一致。從1990年電學單位的約定值轉變到修訂後的SI，這將給電學單位的量值傳遞帶來一些小影響。
　　對絕大多數的測量用戶來說，由於伏特的量值僅變化大約千萬分之一，歐姆的變化則更小，因此他們並不需要作出任何反應。從事基準工作的人員或許只需要調整相關基本標準的量值，覆審各項不確定度。

新定義對於開爾文的復現有何影響?
　　開爾文的新定義不會直接影響溫度測量及其溯源。大多數用戶都不會注意到重新定義帶來的影響。重新定義為未來技術進步打下了基礎。該定義不再依賴於物質的特性，不再受技術限制，可採用新型的、更準確的技術，將溫度測量溯源至SI，特別是針對一些極端溫度的測量。
　　開爾文重新定義以後，通過熱力學溫度的主要測量方法，可以實現開爾文的復現，在全世界範圍內進行量值傳遞。這將與國際溫標ITS-90和臨時低溫溫標PLTS-2000的量值傳遞形式並行。

新定義對摩爾的復現有何影響?
　　摩爾將基於一定數量的粒子來定義(通常是原子或分子)，不再依賴於質量的單位千克。通過以往的方法，可實現對摩爾的溯源，例如通過質量測量與原子量表和摩爾質量常數Mu相結合的方法。
　　原子量不會受到摩爾重新定義的影響。儘管存在測量不確定度，Mu仍將為1 g/mol。由於該不確定度非常小，摩爾的新定義也不需要對常規做法進行任何改變。

復現秒、米和坎德拉會發生變化嗎?
　　不會。
　　秒將繼續基於銫-133原子超精細能級躍遷頻率來定義。秒的溯源鏈不會受到影響，時間頻率計量也不會受到影響。
　　米仍使用基本物理常數——光速來定義。長度計量在操作上不需要有任何改變。整個測量體系經此次修訂後，將保持長期穩定，有益於推動長度計量的發展。
　　坎德拉仍將使用光度學的一個技術常數——Kcd來定義，並繼續與瓦特相關聯。依然通過輻射度測量法，即使用絕對校準探測器，向坎德拉溯源，其測量不確定度保持不變。

「千克」會發生變化嗎?
　　國際千克原器(IPK)保存地點不變，保存的環境條件也不變。這是一塊具有歷史意義的實物，人類研究它已有140年。儘管它不再定義千克，但仍具有一些計量方面的意義。
　　對於擁有千克基準的國家來說，他們仍然用同樣的方法保存它們。在其他復現千克的方法出現之前，這些實物基準仍將在溯源至千克新定義的測量過程中發揮重要作用。

國際千克原器(IPK)是從什麼時候開始使用的?
　　從1885年起，國際千克原器先後被用於3次國際校準活動，每次活動都持續了幾年時間。第三次活動在1993年結束。為了準備這次重新定義，2014年再次啟用國際千克原器，這樣那些致力於研究千克重新定義的國家計量院就可以向其溯源。這看起來有些奇怪，但這麼做是為了保證重新定義後的1千克與國際千克原器的1千克維持一致。不過，人為因素和環境因素對千克原器的穩定性是不利的。目前，千克原器被保存在(法國塞夫勒的布勒特伊宮)的一個保險箱內，保險箱必須有3把鑰匙才能打開。這3把鑰匙分別由國際計量局(BIPM)局長、國際計量委員會(CIPM)主席和法國國家檔案館館長保管。這項工作受國際計量委員會18名委員共同監督。千克原器的最近一次使用是在2014年。

國際千克原器變化了嗎?
　　這很難說，因為根據定義，國際千克原器的質量就是1千克！如果這個問題改為：與自然常數相比，國際千克原器的質量發生變化了嗎?答案是：還沒有。這是因為目前我們還沒有達到比較這兩者所需要的測量精度。
　　將國際千克原器與保存在同樣環境中的千克基準進行比較，沒有檢測到變化。
　　然而，從1889年到1993年，對看似相同的千克實物基準進行比較時，檢測到變化大約為每100年50微克。變化的原因以及為什麼變化停止(或暫停)，則很可能永遠是一個謎。以實物為基礎的千克定義帶來了上述問題，而對於千克的新定義，將使這些問題不復存在。

重新定義千克之後，可以將質量標準器重新送檢嗎?
　　重新定義千克後，實驗室和現在一樣，繼續將自己的質量標準器送到國家計量院(NMI)或其他次級校準實驗室進行校準。然而，國家計量院將按照新定義對千克進行復現，那麼向千克的溯源途徑會發生改變。
　　SI用戶可參考：www.bipm.org/utils/common/pdf/ SI-statement.pdf

怎麼才能確認實驗室對千克的復現是正確的?
　　和其他單位一樣，國際比對機制存在並運行很多年了。所有聲稱可復現千克單位的實驗室需要通過與國際同行進行比對，以此來驗證可溯源至千克單位的定義。1999年達成的《各國計量基(標)準互認和各國計量院籤發的校準與測量證書互認協議》(CIPM-MRA)對此作了相關規定。

來源：國際計量局網站
翻譯：中國計量科學研究院 陳杭杭 朱秀梅