基于自然常数的国际单位制重新定义

摘 要：第26届国际计量大会批准了全部以自然常数重新定义的国际单位制（SI）。新定义不再依赖任何实物计量基准，使国际单位制更具稳定性和普适性。文章介绍了国际单位制的沿革和重新定义的国际单位制的内容。

关键词：测量;国际单位制;基本单位;基本常数;自然常数;重新定义

中图分类号：TB921;N04文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2019.03.006

Abstract： The 26th meeting of the General Conference on Weights and Measures （CGPM） approved the revision of the international system of units （SI）. The definitions of all the units of the revised SI have been linked to constants of nature， which no longer rely on any physical artifacts and guarantee their stability and universality. This paper introduces the evolution of and the content of the redefined SI.

Keywords：measurement; international system of Units （SI）; base unit; fundamental constant; constant of nature; redefinition

收稿日期：2019-05-09

作者簡介：原遵东（1960—），男，中国计量科学研究院研究员，研究方向为温度计量、辐射测温。通信方式：yuanzd@nim.ac.cn。

一 国际单位制的形成[1-2]

在世界范围使用统一的单位制是保证不同时期、不同地域和不同原理的测量之间具有一致性的基础。国际单位制是世界上几乎所有国家都在使用的单位的法律体系。国际单位制由最初的米制演变而成。

1795年法国立法创建了米制。1799年两个代表米和千克的铂标准器保存于法国国家档案馆。1869年国际科学委员会建立以推广米制测量的应用，国际米原器诞生。同年法国政府邀请多国加入国际科学委员会，次年转变为新的国际米制委员会。

1875年5月20日，17国签署《米制公约》，在其框架下成立了国际计量大会（CGPM）、国际计量委员会（CIPM）和国际计量局（BIPM）。CGPM旨在讨论和批准单位制修订提案，CIPM管理有关单位制的讨论和建议，BIPM承担全部体系的管理和保管国际原器标准装置。当时商定的单位制称为米-千克-秒单位制（MKS制），包含米、千克和秒三个基本单位。其中，米和千克用实物定义，时间单位秒采用天文秒。1889年第1届国际计量大会批准了定义米和千克的以铂铱合金制成的两个新国际原器。

1935年国际电工委员会（IEC）开始采用MKS制。1946年CIPM批准MKS制替代电学此前的单位制——“国际制”。为建立在全球统一实用的测量单位制，1954年CGPM决定，引入电流、热力学温度和发光强度的单位安培、开尔文和坎德拉作为基本单位。1960年第11届CGPM将包含米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉六个基本单位的单位制命名为国际单位制（SI，法文System International dUnites的缩写）。此次会议还采用了米的基于氪-86原子特性的新定义，这是第一次正式采用自然基准定义的基本单位，替代了1889年起生效的基于国际米原器的定义。至此，千克成为最后一个以实物来定义的SI基本单位。

1967年改用铯原子的自然特性重新定义秒，也被称为“原子秒”。1971年第14届CGPM将物质的量的单位摩尔引入SI基本单位。1977年我国加入米制公约组织。1979年坎德拉以单色辐射方式重新定义。1983年米被定义为光在真空中经1/299 792 458秒行进的距离，这是SI中的基本单位首次以基本常数（光速）来定义。1990年单位欧姆和伏特的定义均采用基于“约瑟夫森效应”和“量子霍尔效应”的基本常数实用约定值。

1999年第21届CGPM第7号决议要求各国际计量院努力，用实验方法把质量单位和基本常数或原子常数联系起来，以便将来重新定义千克。此后，CGPM的有关国际咨询委员会先后提出将千克定义建立在普朗克常数或阿伏加德罗常数的基础上，用玻耳兹曼常数重新定义开尔文，给定阿伏加德罗常数重新定义物质的量的单位摩尔，给定基本电荷的量值重新定义安培。至2017年国际计量界实现了多项极限测量的突破，以最高不确定度水平实现对普朗克常数、阿伏加德罗常数和玻耳兹曼常数重新定值，用于SI重新定义。中国计量科学研究院在这三个基本常数测量方面均取得突破。特别是噪声原级测温法和声学原级测温法的玻耳兹曼常数测量结果，为基本单位开尔文的重新定义做出了关键性贡献。

2018年11月16日第26届CGPM通过对SI的修订决议，SI中的四个基本单位千克、安培、开尔文和摩尔基于基本常数重新定义，实现了全部以自然常数（基本常数和原子常数）定义SI中的七个基本单位。各SI单位的大小在新旧定义更替之际不会发生可察觉的变化。新SI将于2019年5月20日世界计量日起正式生效。至此，以实物定义测量单位的时代终结，世界上使用的所有SI测量单位都用自然界的基本法则来定义，更具有稳定性和普适性。这是国际单位制自创建以来的最重大的变革之一，是一个历史性的里程碑。新定义将对科技创新、产业发展产生深远影响。

二 国际单位制的新定义[3]

其中，单位赫兹（Hz）、焦耳（J）、库伦（C）、流明（lm）、瓦特（W）分别与单位秒（s）、米（m）、千克（kg）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）、坎德拉（cd）相关联，相互之间的关系为Hz=s-1，J=kg·m2·s-2， C = A·s， lm = cd·m2·m-2 =cd·sr，W=m2·kg·s-3。

国际单位制的新定义在一定程度上是对基本单位的“隐性”表达。对七个基本单位等价的“显性”定义见表1。其中以“直接”方式定义了两个基本单位——采用以赫兹Hz（即s-1）为单位的频率规定值定义了时间单位秒，基于阿伏加德罗常数NA定义了摩尔。在此基础上，通过给定真空光速以单位m/s表示时的固定数值为299 792 458规定了长度单位米和时间单位秒之间的关系，以间接方式定义米。其余四个基本单位的定义也是以这种间接方式给出：千克、安培、开尔文和坎德拉分别基于普朗克常数h、基本电荷常数e、玻耳兹曼常数k和规定频率的单色辐射的光视效能Kcd定义。

借助于国际单位所规定的两个辅助单位——弧度和球面度，所有导出单位均可由若干基本单位的幂的乘积获得。

基本单位英文定义和中译文转换关系

second秒The second， symbol s， is the SI unit of time. It is defined by taking the fixed numerical value of the caesium frequency ΔνCs the unperturbed groundstate hyperfine transition frequency of the caesium 133 atom， to be 9 192 631 770 when expressed in the unit Hz， which is equal to s–1.国际单位制中的时间单位，符号s。当铯频率Δν（Cs），也就是铯133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率以单位Hz即s-1表示时，将其固定数值取为9 192 631 770來定义秒。1s=9 192 631 770/Δν（Cs）

metre米The metre， symbol m， is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458 when expressed in the unit m/s， where the second is defined in terms of ΔνCs.国际单位制中的长度单位，符号m。当真空中光速c以单位m·s-1表示时，将其固定数值取为299 792 458来定义米，其中秒用Δν（Cs）定义。1m=（c/299 792 458）s=30.663 318…c/Δν（Cs）

kilogram千克The kilogram， symbol kg， is the SI unit of mass. It is defined by taking the fixed numerical value of the Planck constant h to be 6.626 070 15 × 10–34 when expressed in the unit J s， which is equal to kg m2 s–1， where the metre and the second are defined in terms of c and ΔνCs.国际单位制中的质量单位，符号kg。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Δν（Cs）定义。1kg=（h/6.626 070 15×10–34） m–2·s=1.475 521…×1040hΔν（Cs）/c

ampere安培The ampere， symbol A， is the SI unit of electric current. It is defined by taking the fixed numerical value of the elementary charge e to be 1.602 176 634 ×10-19 when expressed in the unit C， which is equal to A s， where the second is defined in terms of ΔνCs.国际单位制中的电流单位，符号A。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Δν（Cs）定义。1A=e/（1.602 176 634×10–19） s–1=6.789 686…×108Δν（Cs） e

kelvin开尔文The kelvin， symbol K， is the SI unit of thermodynamic temperature. It is defined by taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be 1.380 649 ×10-23 when expressed in the unit J K-1， which is equal to kg m2 s-2 K-1， where the kilogram， metre and second are defined in terms of h， c and ΔνCs.国际单位制中的热力学温度单位，符号K。当玻耳兹曼常数k以单位J·K-1即kg·m2·s-2·K-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Δν（Cs）定义。1K = （1.380 649 × 10–23/k） kg·m2·s–2=2.266 665…Δν（Cs）h /k

mole摩爾The mole， symbol mol， is the SI unit of amount of substance. One mole contains exactly 6.022 140 76 × 1023 elementary entities. This number is the fixed numerical value of the Avogadro constant， NA， when expressed in the unit mol-1 and is called the Avogadro number. The amount of substance， symbol n， of a system is a measure of the number of specified elementary entities. An elementary entity may be an atom， a molecule， an ion， an electron， any other particle or specified group of particles.国际单位制中的物质的量的单位，符号mol。1摩尔精确包含6.022 140 76×1023个基本单元。该数称为阿伏加德罗数，为以单位mol-1表示的阿伏加德罗常数NA的固定数值。一个系统的物质的量，符号n，是该系统包含的特定基本单元数的量度。基本单元可以是原子、分子、离子、电子、其他任意粒子或粒子的特定组合。1mol=6.022 140 76×1023/NA

基本单位英文定义和中译文转换关系

candela坎德拉The candela， symbol cd， is the SI unit of luminous intensity in a given direction. It is defined by taking the fixed numerical value of the luminous efficacy of monochromatic radiation of frequency 540 × 1012 Hz， Kcd， to be 683 when expressed in the unit lm W–1， which is equal to cd sr W–1， or cd sr kg–1 m–2 s3， where the kilogram， metre and second are defined in terms of h， c and ΔνCs.国际单位制中的沿指定方向发光强度单位，符号cd。当频率为540×1012 Hz的单色辐射的光视效能Kcd以单位lm·W-1即cd·sr·W-1或cd·sr·kg-1 ·m-2 ·s3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Δν（Cs）定义。1cd=（Kcd/683）kg·m2·s–3·sr–1= 2.614 830…×1010Δν（Cs）2h Kcd

参考文献

[1] CGPM. 26th CGPM Press Kit： Towards a historic revision of the International System of Units （SI） [EB/OL].（2018-11-16）[2019-05-05]. https：//www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/CGPMPressKit.pdf.

[2] BIPM. The International System of Units （8th edition）[EB/OL].（2006）[2019-05-05] http：//www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf.

[3] CGPM. 26th CGPM Resolution 1： On the revision of the International System of Units （SI） [EB/OL].（2018-11-16）[2019-05-05] http：//www.bipm.org/en/CGPM/db/26/1/.