国际单位制重大变革初探

文/陈 军 李 华 邢献军（安徽省计量科学研究院）

一、国际单位制由来

国际单位制（International System of Units）缩写为 SI，是指“由国际计量大会（CGPM）批准采用的基于国际量制的单位制，包括单位名称和符号、词头名称和符号及其使用规则”。

国际单位制伴着科学技术的发展而产生，也随着科学技术的进步而不断完善。1875年《米制公约》的签署，为国际单位制的形成和发展奠定了国际基础；1960年第11届国际计量大会将米、秒、开尔文、千克、安培和坎德拉6个实用计量单位命名为“国际单位制”，标志着现代计量的开始；1967年第13届国际计量大会对国际单位制基本单位“秒”进行重新定义，标志着计量从“实物到量子”时代的迈进；1971年第14届国际计量大会将“摩尔”确定为国际单位制的第7个基本单位，标志着一套完整的国际单位制形成（见表1）。

二、国际单位制的新变革

2018年第26届国际计量大会决定对国际单位制4个基本单位“千克”“安培”“开尔文”“摩尔”进行重新定义，并对另外3个国际单位制基本单位“秒”“米”“坎德拉”定义的文本表述进行修订，以统一所有国际单位制基本单位的表达方式（见表2）。至此，国际计量单位制的7个基本单位全部由常数定义，这将是人类科学发展史上的一座里程碑。

表1 国际单位制的7个基本单位

表2 国际单位制7个基本单位的变化

三、国际单位制变革的意义

“国际单位制的修订是科学进步的一座里程碑。”国际计量局局长马丁·米尔顿表示，“用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础，意味着我们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。”

国际单位制（SI）基本单位变革的具体意义如表3所示。我国计量行业专家认为，此次国际单位制基本单位的变革，实现了国际测量体系源头量子化、常数化，体现了国际单位制与时俱进的特点，确保了国际单位制的长期通用性和稳定性。具体表现在以下方面：一是“常数定义”不受人为和时空等多种因素限制，确保了国际单位制的通用性；二是用“常数”替代“实物原器”，“常数”恒定不变的特点确保了国际单位制的长期稳定性；三是新定义的国际单位制基本单位可实现任意范围复现，确保了国际单位制的全范围准确性；四是新定义的国际单位制基本单位复现不受方法限制，确保了国际单位制的长远适用性。

表3 国际单位制（SI）基本单位变革的意义

表4 国际单位制（SI）变革对公众的影响

表5 国际单位制（SI）变革对计量技术机构的影响

四、国际单位制变革的影响

此次国际单位制变革，对于多数科研人员以及相关产业行业发展、人们日常生产生活来说，没有造成大的直接的影响，原有的测量数据或结果仍将是有效的、稳定的、连续的。但从科学技术和计量专业角度观察，国际单位制的重新定义将产生如下影响：一是将进一步改变现有计量格局和国际计量体系，实现扁平化量值传递溯源链路，使量值溯源速度更快、链条更短，测量结果更稳、数据更准；二是将推进仪器仪表产业创新性、革命性发展，催生新的测量方法、测量原理和测量仪器；三是将进一步支撑新一轮工业革命的推进，量子测量技术发展和国际单位制变革将使计量基准随时随地复现成为可能。国际单位制（SI）变革对公众和计量技术机构的具体影响见表4、表5。

五、国际单位制变革中我国的贡献

本次国际单位制部分基本单位重新定义涉及4个基本物理常数，其中普朗克常数、基本电荷量和阿伏伽德罗常数3个常数存在相互依赖关系，仅需准确确定其一，便能推导出另外两个。因此，玻尔兹曼常数和普朗克常数（或阿佛加德罗常数）的准确测量是支撑此次国际单位制变革的关键。

我国始终紧跟国际计量科学趋势和前沿，在国际单位制基本单位复现的新方法、新理论等方面不断开展深入研究。近年来，我国先后在普朗克常数、阿佛加德罗常数和玻尔兹曼常数等物理常数测量，以及量子计量基准建立方面取得一系列重大突破。

值得一提的是，中国计量科学研究院先后采用两种不同的测量方法（声学法和噪声法）测定玻尔兹曼常数，测量结果的测量不确定度分别为2.0×10-6和2.7×10-6，均已被国际科学数据委员会采用，这对此次国际单位制修订中确定玻尔兹曼常数的最终量值做出了重要贡献，在国际单位制基本单位“开尔文”的此次量子化修订中发挥了重要作用。

同时，经过近20年对电学量子基准（量子化霍尔电阻基准）研究，我国已经建立了准确度比国外同类基准最好水平还高出十余倍的量子化霍尔电阻基准，能够准确测定普朗克常数h，参与解决了一系列原生型技术难题。

六、如何应对国际单位制新变革

“米制公约”的签署，构筑了国际溯源体系基础，促进了工业化进程；“秒”和“米”的量子化变革，催生了激光测量技术，推动了纳米材料、精密测量、太空探测和装备制造等领域的重大发展和突破。此次国际单位制变革必将有力推动经济社会发展。我们要牢牢把握国际单位制变革的历史性战略机遇，面向国家长远战略需求，制定我国量子化发展规划，加强前沿性、基础性计量技术研究，加快构建量子化、现代化量传溯源体系，进一步发挥计量引领作用，力争“弯道超车”，引领行业新变革。