千克、安培、摩爾和開爾文被重新定義？一文讀懂來龍去脈！

11月13至16日，由計量局(BIPM)組織的第26屆計量大會(CGPM)在法國凡爾賽召開。大會終對“修訂單位制(SI)”的1號決議進行了表決。7個SI基本單位中的4個改由自然常數來定義，并于2019年5月20日起正式生效。新定義將保證SI的長期穩定性，并使復現單位的方法向更好、更新的技術開放。

　　為什么要使用單位制?

　　單位制，也是常說的米制或公制，想必大家都有一些概念，但是它被廣泛被采用的原因是什么呢?各個國家之間進行貿易活動，那必然涉及到貿易產品的數量是多少的問題。比如說，我們國家要出口給美國一批鋼材，價錢談好了，例如一噸是800美元，接下來要進行貿易結算的話，就要確定這批鋼材有多少噸。這里就會涉及一個測量問題，即是用中國的秤還是美國的秤來確定這批鋼材的質量，或者說誰的秤更準、更公平。為了避免貿易摩擦，統一標準，單位制(International System of Units，SI)應運而生。在單位制中，明確規定了1千克到底應該多重。貿易雙方可以都加入這個體系，然后用單位制中所規定的1噸標準(1000千克)來稱量這批鋼材，如此，就避免了可能的貿易糾紛，當然也就促進了不同國家間的貿易活動。換句話說，單位制的地位相當于貿易的第三方，或者是裁判員，保證了交易的公平公正。

　　再舉一個在科學研究方面的例子。1998年12月11號，火星“觀察者”號飛船由美國宇航局發射升空后不明原因地神秘失蹤。直至6年后，美國宇航局才找到了飛船失蹤的原因：原來，美國洛克希德—馬丁公司在研制飛船時將一部分工作轉包給了英國的一家公司。而該公司負責項目的工程師使用了英國的計量單位(英制)，而不是美國宇航局所使用的單位制。兩套單位之間的差異，導致觀察者號在計算和測量控制參數時出現了顯著偏差，并在隨后出現航行錯誤，導致軌道器終進入低高度軌道并被大氣壓撕毀。要知道，火星觀察者號的造價是一億兩千五百萬美元!顯然，如果兩個合作方采用的是統一的單位，這樣的悲劇就不會發生。這個例子更從側面說明了單位制在*范圍內的統一對促進科學技術發展的重要意義。

圖：觀察者號火星探測器在墜毀之前的照片　(圖片來源：維基百科)

　　單位制是如何發揮作用的?

　　單位制共有7個基本單位，分別是米、秒、千克、安培、摩爾、開爾文和坎德拉。由這7個基本單位可以導出其他所有的單位。因此，要維持單位制本身的穩定性，必須要對這7個SI基本單位設立一種不隨時間、環境等因素發生變化的定義，確保SI單位基本量值的穩定性。實際上，單位制建立的一個基本宗旨就是：For all time, for all people，即能在任何時間能為任何用戶提供“高標準”。

　　在溯源體系方面，傳統基于實物基準的定義，如千克，呈現金字塔狀的溯源結構。在金字塔的頂端是保存在計量局的千克原器，而各個國家的千克基準，都要定期送到計量局進行校準。如此，計量局在基本單位的實物基準定義的單位量值傳遞方面便具有了核心地位。

　　然而，近幾十年來，量子技術的出現和發展打破了計量局在量值溯源方面的核心地位。例如，目前在計量領域應用成功的量子基準——原子鐘，復現SI基本單位秒的定義準確性已經進入10-18量級。在此基礎上發展的導航、衛星成像技術廣泛應用在人們的生活之中，取得了巨大的成功。如今，在很多國家的計量院都建立了的原子鐘用于對秒定義的復現，這些復現的裝置本身基于量子效應，復現值與基本物理常數直接掛鉤。各個國家也就不用把本國的原子鐘送到計量局校準，因為基于量子現象實現的標準自身就具有的準確性。給計量局“去核心化”也是本次基本單位變革的主要目標之一。

　　本次單位制變革的主要內容是什么?

　　第26屆計量大會在2018年11月16日通過決議，決定對4個SI基本單位進行重新定義，即分別采用普朗克常數、基本電荷量、阿伏伽德羅常數和玻爾茲曼常數來分別重新定義基本單位千克、安培、摩爾和開爾文。新定義正式實施時間為2019年計量日(5月20日)。

　　用于重新定義的4個基本物理常數值由科學數據委員會(CODATA)根據世界各主要實驗室測量結果評差確定，4個常數的終數值分別為：

圖：SI基本單位和用于定義的基本物理常數(圖片來源：計量局)

　　在新定義實施之前，這四個SI基本單位的定義分別是：千克等于千克原器的質量;安培是一恒定電流，若它保持在處于真空中相距1米的兩根無限長而橫截面大小可被忽略的平行直導線內，則這兩根導線之間產生的力在每米長度上等于2×10-7牛頓;摩爾所包含的基本單元數與0.012千克碳12的原子數目相等;開爾文等于水的三相點熱力學溫度的1/273.16。

　　為什么要重新定義、實物基準及其缺點?

　　質量千克的量值，是用保存在計量局的一個砝碼來確定的——千克原器(International prototype of kilogram，IPK)。之所以用這個砝碼來定義質量的單位千克，是因為科學家發現鉑銥合金(90%鉑+10%銥)相對于其他的合金材料密度大且化學性質穩定。采用鉑銥合金砝碼定義千克的決議是在1889年召開的第1屆計量大會上通過的。

圖：千克原器(圖片來源：計量局)

　　千克采用千克原器定義后，計量學家們十分關心的一個問題是：這樣的定義到底有多穩定?會隨著時間的推移發生漂移嗎?這個問題在定義質量單位千克之初就被提了出來。在1889年進行千克定義時，計量局共制作了7個鉑銥合金千克砝碼，其中里之前千克定義量值近的一個，用于質量單位千克的定義，即千克原器。而其他6個采用同種材料、同種工藝制作的砝碼，則作為副基準，用于檢查彼此之間是否存在隨時間變化的漂移。從1889年千克定義到今天，千克原器與6個副基準之間的量值比對試驗共進行了4次，結果發現，6個副基準的平均量值相對于千克原器，在100多年的時間里變化了約50微克，即相對于1千克變化了約5×10-8。而測定該變化量的前提是假定千克原器的量值是穩定的(定義)，因此，是進行的相對測量。而對千克的量變化，既無法測量，也無人知曉。從這一點上來講，千克基于千克原器質量的定義不是“for all time”，因為千克的實際量值可能已經隨時間發生了變化。

圖：千克原器與6個復制品比對結果(橫坐標為比對年份，縱坐標為砝碼質量差值[微克])

　　千克用千克原器定義后，千克原器就被保存在計量局。為了保證千克原器的安全，用于保存千克原器的裝置外設置了3把鎖，鑰匙交由3個不同的重要人物保管，分別是計量局局長、計量咨詢委員會主席和法國檔案部部長。從這點上看，基于千克原器的千克定義也不是“for all people”。

　　應特別注意7個SI基本單位的定義之間并不是彼此獨立的，千克量值的不穩定性，還會影響SI其他基本單位的量值。例如，在上述的基本單位定義中，電流單位安培的定義用到了導出單位牛頓，而牛頓這個單位中就包含質量單位千克。再例如，摩爾的定義中也用到了千克。現有的千克量值基準存在的緩慢變化，雖然說現階段還不足以影響人們的日常生活，但其長期積累的效應，無疑會影響計量制體系的穩定性，并且會對精密科學研究產生不良影響。

　　采用了新定義后的好處是什么?

　　基于基本物理常數重新定義SI的上述基本單位，重要的進步，是使得基本單位的量值具有了長期穩定性。至少，目前已有的科學試驗并未發現基本物理常數在宇宙形成后曾發生過顯著變化，即便有微小的變化，這種變化在人類存在的歷史中也*可以忽略不計。基于基本物理常數定義SI的基本單位，就是要使對基本單位量值的復現變得不再受時間、地點以及環境的限制。打個比方，質量的單位千克采用普朗克常數重新定義后，我國若建立了達到先進水平的普朗克常數與砝碼質量的精密測量試驗裝置，那么，我們國家的千克標準砝碼，就不需要再送到計量局去進行校準了。不僅如此，原則上我們的裝置測量準確性得到*的話，還能為其他國家提供校準的服務。

　　千克單位新定義具有開放性，還允許人們在家里建造自己的砝碼校準裝置。例如，我兩年多前在美國工作期間，一個同事Leon.Chao，就自己用樂高拼塊制作了一架功率天平裝置，并成功地實現了對克量級砝碼優于1%的校準。

圖：美國計量院Leon Chao搭建的樂高版功率天平(圖片來源：美國物理聯合會)

　　采用基本物理常數重新定義SI基本單位，這對基本單位量值保持連續性也意義非凡。以前人們對實物基準，總擔心因為天災或人禍而損毀，而采用基本物理常數重新定義基本單位后，人們就無需考慮這個問題了。并且，在以前，當新的、更準確的計量技術出現時，可能會導致基本單位的定義要被修改。例如，質量單位千克在被定義為千克原器的質量之前，還曾被定義為1升水的質量。采用基本物理常數定義SI基本單位后，可以在相當長的時間內避免基本單位的定義被反復修改。而且未來隨著相關技術的進步，只會不斷提升單位量值復現的準確性，但不會輕易改變基本單位的定義。另外，上述4個SI基本單位的重新定義，也會使得SI七個基本單位的定義具有統一的形式。

　　與SI基本單位定義相對應，基本物理常數體系在本次SI單位制修訂中也會產生重要的變化。普朗克常數、基本電荷量、阿佛加德羅常數、玻爾茲曼常數的數值被確定下來后，很多與之相關的基本物理常數的測量準確性也會發生重要變化。但總體來講，新單位體制下的基本物理常數體系將更為精密，其測量不確定度也將變得更小。

　　這次基本單位修訂會對人們生活有什么影響嗎?

　　本次SI基本單位修正的基本原則，是保證基本單位量值的連貫性，即保證新的定義對人們生活產生的影響小。應該說，本次SI基本單位定義的修訂，是過去幾十年來大量科技人員努力奮斗的結果。在此之前，物理學家、計量學家等在共同努力希望做得更好一件事情，就是將這些用于SI基本單位定義的基本物理常數的量值測準。而在此測量過程中，必須保證所使用的相關基準能夠*溯源到現有的SI基本單位定義上。例如，測量普朗克常數所使用的砝碼，必須要能溯源到千克原器上。這樣做的目的，就是保證在重新定義后，SI基本單位的量值在新、舊定義中是連續的，不會發生跳變。簡單地說，本次SI基本單位制的修訂，不會對人們的基本生活產生影響。

　　這次SI基本單位修訂有缺點嗎?

　　本次SI基本單位修訂也存在一個小缺點，即對中小學的科普可能存在一些困難。例如，未來千克的定義為(還沒有表述)：千克是使得普朗克常數準確等于6.62607015×10-34焦耳*秒的質量。顯然，相對于之前的實物基準定義，如何將普朗克常數與砝碼在一起，中小學生在理解上可能會有一定困難。個人認為，簡單的理解，也需要用到愛因斯坦的質能方程和普朗克輻射，即mc2=hf(m為質量，c為真空中的光速，h為普朗克常數，f為輻射頻率)。因此，在未來，將這些新定義轉化成易懂、深入淺出的物理解釋或描述，也是一件十分重要且必須要做好的事情。

千克、安培、摩爾和開爾文被重新定義？一文讀懂來龍去脈！