国际计量开启新纪元：基本单位的量子化定义

2019-04-29段宇宁吴金杰

自动化仪表 2019年4期

段宇宁，吴金杰

(中国计量科学研究院，北京 100029)

0 引言

计量是测量的科学及其应用。计量学包括涉及测量理论和实用的各个方面。计量的目的是保证测量的准确、稳定、可比、溯源和一致，包含了科学、法律法规和工业等方面，支撑了超过60%的全球经济。国际单位制(International system of units,SI)是全球统一的计量单位制，是构成国际计量体系的基石，是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制的核心是7个基本单位，即时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。SI不是固定不变的，而是为适应世界上不断增加的测量需要而发展的。这些测量包括与科学、技术和人类活动相关的所有领域和所有准确度水平。

2018年11 月16 日，国际计量大会投票通过了国际单位制基本单位的新定义方案。这标志着基本单位将用自然界精确而不变的常数定义。此次国际单位制修订决议，意味着人类已使用上千年的、以实物作为基本单位基准的时代的终结。国际单位制的重新定义开启了测量科学的崭新未来。

1 量子化定义背景

1790年，经历了启蒙运动的理性主义思潮，法国科学院建议以地球作为标准物，以通过巴黎的子午线四分弧长的一千万分之一，重新定义基本长度单位“米”。为此，1792～1799年，法国天文学家德朗布尔(Delambre)与梅尚(Mechain)花了整整7年的时间，量出了那条穿过敦刻尔克到巴塞罗那的子午线的弧长。根据测量结果，其制作了一根铂杆，将铂杆两端之间的距离定义为1米，并交给法国档案局保管。这根铂杆被称为“档案米”。基本长度单位“米”诞生之后，很多单位以它为基础，重新定义了标准。

1875年，阿根廷、比利时、奥地利-匈牙利、巴西等17个国家签署了《米制公约》(the Convention du Metre)，并于1875年5月20日成立了国际计量局(BIPM)，负责为建立单一、一致、可溯源至国际单位制的全球测量系统提供基础。法国大革命期间建立的十进位米制以“米”和“千克”为基础。根据《米制公约》的规定，制造了新的米原器和千克原器，并为1889年第一届国际计量大会(CGPM)所正式接受。随着时间的推移，测量系统不断发展，目前已经包括七个基本单位。1960年，第11届国际计量大会决定，这个系统称为国际单位制。

随着科技的发展，基本单位的定义被逐个量子化。

这一过程从20世纪60年代拉开序幕。基本单位时间“秒”、长度“米”先后经历了修订。1960年，第11届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器，而将“米”定义改为：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1 650 763.73个波长的长度”。1983年，第十七届国际计量大会又对“米”进行了进一步的定义。

1961年，国际计量委员会提议采用铯原子基态跃迁作为“秒”定义的候选。1967年，第13届国际计量大会通过了基于铯原子跃迁的新的“秒”定义，即：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。至此，“原子秒”取代了“天文秒”。

时间和长度单位计量量子化的成功，不断催生其他计量单位的量子化定义进程。国际计量委员会于2005年一致同意全面进行国际单位制基本单位量子化变革，使其直接定义在自然界“恒定不变”的基本物理常数上。经全球计量科学家和物理学家十多年的共同努力，重新定义国际单位制基本单位的全部条件均已经具备。

2018年11月，召开了第26届国际计量大会。会议通过了关于修订国际单位制的决议。国际单位制中，“千克”由普朗克常数、“安培”由基本电荷、“开尔文”由玻尔兹曼常数、“摩尔”由阿伏伽德罗常数定义；另外3个基本单位在定义的表述上也作了相应调整，从而与此次修订的4个基本单位相一致。修订前后国际单位制基本单位定义如表1所示。

表1 国际单位制基本单位的定义

这标志着使用实物作为基准时代的结束。2019年5月20日(世界计量日)起,重新定义的国际单位制将正式实施。

此次国际单位制变革不包括坎德拉的量子化。坎德拉的定义与之前一致，只是在表述上与其他单位保持一致。这是因为坎德拉定义的量子化在计量界没有取得共识。重新定义之后，国际单位制的6个基本单位实现了基于量子物理且以定义常数和物理常数定义，进入了量子化时代。

2 重新定义意义

2.1 国际单位制的不足

基于实物基准的基本单位，总会受到物理、化学过程的影响，使它的特性缓慢发生变化，很难满足现代高精密测量的要求。因此，CGPM设想用物理常数重新定义基本单位。

2.2 修订意义

“国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”BIPM局长马丁·米尔顿表示。

重新定义后的国际单位制，将在提升国家计量管理效能、改变国际计量体系和现有格局、支撑新一轮工业革命等方面产生重要意义。

①“定义常数”保障了国际单位制的客观通用性，将显著提升国家计量管理效能。理论上，今天我们在北京复现的量值，和我们未来在火星上的复现值是一致的。传统的管理模式是以实物计量器具为主体，通过逐级传递的方式，服务于测量的各个领域，具有行政层级和行政区划的特征。量子化变革不仅有助于提升质量水平，而且有利于促进公平交易、诚信建设。

②用自然界恒定不变的“常数”替代实物原器，将改变现有国际计量体系和现有格局。重新定义后的质量单位将更加稳定。现有计量体系是以国际计量局为量值传递源头的单极中心。新的计量体系将形成以部分先进国家为主体的多级全球中心或区域中心。在新一轮激烈竞争中，各国家如能抢占技术制高点，主动布局，就可以把握发展主导权和控制权[1]。

③新定义不再受复现方法的限制，将有力支撑新一轮的工业革命。国际单位制重新定义将引发仪器仪表产业的颠覆性创新，如嵌入芯片级量子计量基准和器件，溯源至物理常数的测量保证了制造过程中各参数的准确性，通过实时的反馈可以实现最佳的控制。这将为突破高档数控机床、大飞机、核电装备等重大装备的共性关键技术提供支撑[1]。

3 对现有计量体系的影响

3.1 对量值的影响

用于重新定义的基本物理常数，经过多年的精确测量与结果验证，实现了定义前后新旧单位量值变化可忽略。尤其对于常规的测量与应用，可以认为量值不变。但是新定义的实施后，将建立基于新定义的量子基准及新的溯源体系，对于教科书、国际单位制相关的国家标准、计量技术法规都将进行修订。

3.2 对工业测量和仪器仪表的影响

仪器仪表的准确性是通过溯源到计量基准和计量标准来保证的。传统的每隔一年或两年的校准，无法实时保障仪器仪表的准确。基本单位重新定义后，基于量子化定义的测量方法与信息技术、互联网技术相结合的研究，可研制开发新型的量子传感器和量子计量标准装置，实现我国高端仪器仪表制造的弯道超车，从而带动整个仪器仪表产业的转型升级。譬如，量子芯片计量和量子传感利用原子、电子、光子等可被精确控制和测量，从而实现对磁场、加速度、重力、时间、压力、温度、惯性等物理量的高精度量子传感和校准，除了可以突破经典力学极限的超高测量精度之外，还可抵抗特定噪声的干扰。量子磁传感器和霍尔传感器已产品化，量子传感技术在不锈钢晶格断裂磁体系数测试等材料相关学科研究已实现应用。虽然量子通信和量子钟技术已相对成熟，有不少产品已商业化，但全球量子技术目前还处于早期阶段，这给我国高端仪器仪表弯道超车提供了绝佳的时机。

3.3 对国际温标的影响

温度重新定义后，为避免对社会造成冲击，国际温度咨询委员会决议，在一段时间内保留国际温标。所以新定义实施后，短期不会对社会造成可感觉到的影响。但是用玻尔兹曼常数定义温度单位，使得人类历史上首次摆脱温度单位定义对实物的依赖，将从根本上解决现有国际温标自身缺陷及实际温度测量问题，必然会带来测温方式的重大改变。长期看，国际温标以及由此产生的繁琐量值传递链条将逐渐退出历史舞台。采用热力学温度计，从理论上，可以实现从极低温到极高温范围内温度的准确测量[2]。重新定义之后,与传统的测温技术相比使用基于玻尔兹曼常数以及量子技术的原级测温方法将不再依赖于感温元件的电学与机械特性，从而可以实现自校准。这种测温方法可以为极端领域的温度测量难题提供解决方案，如核反应堆堆芯温度测量、航天材料表面高温精密测量以及全球环境温度监测等。

4 对我国计量展望

国际单位制基本单位重新定义后，国际计量新格局正在重新构建。随着计量学的进步和发展，尤其是基本单位的量子化，实物基准逐步退出历史舞台，量子基准确立的同时也确立了先进国家计量院的国际主角地位。国际计量局的地位和重心由过去量值溯源唯一源头向协调人角色转变。各区域中先进国家计量院，将通过基于新定义和先进的测量技术建立国家基准装置，形成区域内溯源的中心，不再需要向国际计量局溯源；各国量值通过国际比对，实现国际等效。由此，国际计量呈现了多极的格局，先进国家计量院将形成新的一极，在为其他国家提供量值溯源、主导国际比对中发挥重要作用。

计量学不断拓展新领域，形成新的分支学科。随着国民经济对计量需求的牵引，计量学在原有专业计量的基础上，形成了新的分支及以“跨学科、多参量”为特点的领域计量。比如关系大众健康的医学计量、

关注环境检测、温室气体排放和碳交易的环境计量、关注节能减排的能源计量等。生命科学的发展促进了生物计量分支的形成与壮大。生物计量是以生物测量理论、测量标准、计量标准与生物测量技术为主体的科学研究和实践活动，以实现生物物质的特性量测量值准确一致为目标，并保证测量结果最终可溯源到国际单位制或国际公认单位，服务于医疗卫生、司法、农业、食品、医药、海洋等领域。

计量溯源方式革新：一是计量溯源的扁平化，量子计量基准与信息技术相结合，使量值溯源链条更短、速度更快、测量结果更准更稳，将改变过去依靠实物基准逐级传递的计量模式，实现最佳的测量，提升产品质量及工业竞争力；二是从传统的实验室条件溯源转向在线实时校准，从过去终端产品的单点校准或测试转向研发设计、采购、生产、交付及应用全生命周期的计量技术服务。