国际单位制及其变革

什么是国际单位制

国际单位制SI是从“米制”发展起来的国际通用的测量语言，是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制规定了7个具有严格定义的基本单位，分别是时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。它们好比7块彼此独立又相互支撑的“基石”，构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其它单位，如力的单位牛顿、电压单位伏特、能量单位焦耳等等，都可以由这7个基本单位组合导出。

国际单位制（SI）的起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。签署公约的初衷是为了支撑国际贸易、商业以及科学交流，过去是，现在是，将来也不会改变。

“米制”在创立时的愿景即是“为全人类所用，在任何时代适用”。其初衷是用一种全球一致的“自然常数”而非某种主观的标准来定义单位，从而保障单位的长期稳定性。1米最早被定义为通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一。而面积、体积和质量等贸易、商业以及税收等领域所需的其它单位，则通过“米”来定义。经过数十年的发展，到1960年，第11届CGPM将包含六个基本单位的单位制命名为国际单位制（SI），即：米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。国际单位制（SI）相关单位被世界共同采纳。1967年，基于铯原子的特性，即基态超精细能级跃迁的频率重新定义了秒，实现了从“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年，第14届CGPM将摩尔（物质的量的基本单位）列为SI基本单位之一。1983年，米被定义为光在真空中于1/299 792 458秒内行进的距离，这是SI中的基本单位首次以基本常数——光速来定义。1983年到2019年前的国际单位制系统，基本单位的定义以及基本单位彼此之间的依赖关系，依靠自然现象和标准原器来确定，比如，米的定义与光速和秒有关，千克的定义需要用到巴黎的国际千克原器。

国际单位制新定义

经过国际计量局和全球计量科学家多年的研究，证明基于基本常数来定义SI的基本单位具有足够的准确性。在2018年11月的第26届国际计量大会上通过了关于修订国际单位制的决议。国际单位制7个基本单位中的4个，即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义；另外3个基本单位在定义的表述上也做了相应调整，以与此次修订的4个基本单位相一致。国际测量体系将有史以来第一次全部建立在不变的自然常数上，保证了SI的长期稳定性和环宇通用性。

从2019年5月20日起，国际单位的7个基本单位将全部由基本物理常数定义，这些常数如下：

- 铯133原子基态的超精细能级跃迁频率νCs为 9 192 631 770 Hz，

- 真空中光的速度c为299 792 458 m/s，

- 普朗克常数h为6.626 070 1510-34Js，

- 基本电荷e为1.602 176 63410-19 C，

- 玻尔兹曼常数k为1.380 64910-23 J/K，

- 阿伏伽德罗常数NA为6.022 140 761023 mol-1，

- 频率为5401012Hz的单色辐射的发光效率Kcd为683 lm/W，

- 秒，符号s，SI的时间单位。当铯的频率Cs，即铯-133原子基态的超精细能级跃迁频率以单位Hz，即s-1，表示时，将其固定数值取为9 192 631 770来定义秒。

- 米，符号m，SI的长度单位。当真空中光的速度c以单位m/s表示时，将其固定数值取为299 792 458来定义米，其中秒用Cs定义。

- 千克，符号kg，SI的质量单位。当普朗克常数h以单位J s，即kg m2 s-1，表示时，将其固定数值取为6.626 070 1510-34来定义千克，其中米和秒用c和Cs定义。

- 安培，符号A，SI的电流单位。当基本电荷e以单位C，即A s，表示时，将其固定数值取为1.602 176 63410-19来定义安培，其中秒用Cs定义。

- 开尔文，符号K，SI的热力学温度单位。当玻尔兹曼常数k以单位J K-1，即kg m2 s-2K-1，表示时，将其固定数值取为1.380 64910-23来定义开尔文，其中千克、米和秒用h，c和Cs定义。

- 摩尔，符号mol，SI的物质的量的单位。1摩尔精确包含6.022 140 76 1023个基本粒子。该数即为以单位mol-1表示的阿伏伽德罗常数NA的固定数值，称为阿伏伽德罗数。

一个系统的物质的量，符号n，是该系统包含的特定基本粒子数量的量度。基本粒子可以是原子、分子、离子、电子，其它任意粒子或粒子的特定组合。

－坎德拉，符号cd，SI的给定方向上发光强度的单位。当频率为5401012Hz的单色辐射的发光效率以单位lm/W，即cd sr W-1或cd sr kg-1m-2s3，表示时，将其固定数值取为683来定义坎德拉，其中千克、米、秒分别用h, c 和Cs定义。

变革带来的影响

这次以物理常数为基础，对国际计量单位制重新定义，意味着所有SI单位将由描述客观世界的常数定义。重新定义开启了任意时刻、任意地点、任意主体根据定义实现单位量值的大门，将对经济、科技与民生等都将产生深刻影响。

1.将改变国际计量体系和现有格局。

重新定义使得计量基标准与信息技术相结合，实现量值传递的链路不唯一和扁平化，使量值溯源链条更短、速度更快、测量结果更准更稳，将彻底改变过去依靠实物基准逐级传递的计量模式，解决了费时费力、效率低下、误差放大等问题。

2.将显著提升国家计量管理效能。

新的国际计量单位制和量子测量技术的发展，将使得计量基准可随时随地复现，将最准“标尺”直接应用于生产生活，大幅缩短量值传递链。

3.将有力支撑新一轮工业革命。

通过量子计量基准与信息技术的结合，使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳，深度契合了以信息物理系统为基础、智能制造为主要特征的新一轮工业革命。通过嵌入芯片级量子计量基准，把最高测量精度直接赋予制造设备并保持长期稳定，可以实现对产品制造过程的准确感知和最佳控制。

4.将引发仪器仪表产业的颠覆性创新发展。

国际计量单位制实现量子化，新的测量原理、测量方法和测量仪器孕育而生，集多参量、高精度为一体的芯片级综合测量，不受环境干扰无需校准的实时测量，众多物理量、化学量和生物量的极限测量等均成为可能，进而催生测量仪器仪表形态的全面创新。

国际单位制的变革是科技进步的缩影，科技创新和质量发展的基础将由此变得更加牢固。人类的测量体系将第一次冲破地球的束缚，迈向遥远的宇宙和无尽的未来，并将不断前行。