國際單位制（SI）進入全面量子化時代

摘 要：2019年5月20日是第20個世界計量日，屆時，在2018年經26屆國際計量大會（CGPM）通過的新修訂的國際單位制（SI）會正式實施。這次修訂，將SI的7個基本單位中的四個（千克、安培、開爾文和摩爾）重新經由量子化（普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數、和阿伏伽德羅常數）進行定義，標志著SI進入全面量子化時代。本文主要探討量子化SI的來龍去脈以及對科技、產業和市場的影響。

關鍵詞：計量;國際單位制;量子化

1 緒論

2019年5月20日是第20個世界計量日，屆時，在2018年經26屆國際計量大會（CGPM）通過的新修訂的國際單位制（SI）會正式實施。[1]現今實施的SI，是以7個基本單位：千克（質量）、米（長度）、秒（時間）、安培（電流）、開爾文（熱力學溫度）、摩爾（物質的量）和坎德拉（發光強度）以及從這7個單位引申的導出單位和輔助單位組成。[2]

其中，秒和米率先實現了量子化，因為秒和米利用了基于始終不變的量子常量。比如，秒的定義基于銫原子的電子躍遷頻率，米的定義則是利用了光速作為宇宙基礎屬性。但質量、電流、熱力學溫度和摩爾四個領域的定義依然依靠原器和試驗的量測，存在較大的不穩定性，越來越不適應社會發展的的需要，制約了科技創新與產業發展。

這次修訂，將SI的7個基本單位中的四個（千克、安培、開爾文和摩爾）重新經由量子常數（普朗克常數 h、基本電荷常數 e、玻爾茲曼常數 k、和阿伏伽德羅常數NA）進行定義，標志著SI進入全面量子化時代。

2 現行SI的困境

2.1 實物原器帶來的問題

自1889年起，千克一直由鉑銥合金制成的國際千克原器（簡稱IPK）定義的，它是所有國家質量標準之源。[3]而實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使它的特性發生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會有所改變。事實上，我們根據國際計量局官方數據，IPK在近一百年間一直在緩慢變化。[4]受限于千克的數量級，對更低數量級質量的量測也非常困難。

再者，作為最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦受到不可抗力等因素發生意外損壞，就會導致原有連續保存的單位量值中斷，產生重大影響。

此外，量值傳遞檢定系統龐大繁雜，從最高等級的實物基準到具體應用場所，量值要經過多次傳遞，準確度也必然會有所下降。[5]。

多個單位受制于千克的定義導致精確度徘徊不前，甚至還有倒退。比如7大基本單位之一的摩爾，在現行SI定義中，摩爾是0.012千克的碳12同位素原子的數量，而碳原子的質量是真實不變的，但因為千克定義的波動，導致摩爾在事實上成為了一個不定的波動值。

2.2 亟待修訂的其他基本單位

安培的定義同樣飽受詬病。現行SI規定：“載有等量電流，相距1米的兩根無限長平行直導線，每米長度上的作用力為2*10-7N時，每根導線上的電流強度”。而無限長導線這一設定在實驗中是不可能復現的，導致安培的定義被虛化，實驗室無法百分百重現安培。[6]

通過修訂電流的定義，將根據通過的電子數來計量，安培終于可以擺脫“無限長導線”的魔咒，新進一步適應對未來科學研究和社會發展的需要。

3 量子物理學的光輝

20世紀量子物理學的光輝成就為量子基準的建立提供了重要的理論基礎，量子基準是將基本單位溯源到物理常數或量子物理效應，不受宏觀因素的影響，所保存的基本單位量值不會隨時間發生漂移。與實物基準相比，量子計量基準的穩定性和準確度可以大幅度提高。因此，量子基準取代實物基準是現代計量的趨勢。[5]

新的SI也是基于上述原因，從鏈路傳遞的扁平化以及未來適應性的角度，進行了全面量子化的修訂。[7]修訂后的SI，使用量子常量作為定義單位的基礎，相比利用原器來進行定義，具有諸多決定性的優點。從此告別了對實物的依賴，可以不受時間和空間的限制，在宇宙的任何一個角落復現標準單位，

4 結論與展望

人類對世界的認識是基于量測的。只有通過測量，你才能最終理解它。我們所有的科學都是基于測量以及不同測量公式之間關系的。嚴謹的測量是科學創新的基礎，是所有被我們習以為常的事物以及所有新發現的基礎。

修訂后的4個基本單位將與秒、米、坎德拉一起，提高SI的整體穩定性和實用性。看似并不明顯的變化帶來了深刻的內涵。就像你給房子換了一個更堅固的地基，從表面上看不出來，其實房子變得更堅固耐久了。

1967年對秒定義的修訂，促成了遠程時鐘的同步與校驗技術的發展，使我們在今天得以擁有了GPS、互聯網技術，[8]它們的存在、和被發明，都是建立在計量科學不斷進步的基礎上。這次量子化修訂，是SI自1960年創建以來最為重大的變革，將從根本上保證SI的長期穩定性，對科學、技術、貿易、健康、環境以及更多領域產生深遠影響。

參考文獻：

[1]晏劉瑩，高蔚.中國計量.2018（12）：6-8.

[2]W.J.R.D.N.C.Bich，RIVISTA DEL NUOVO CIMENTO.2019，42（2）：49-102.

[3]紀亮.中國計量.2018（12）：5-6.

[4]S.V.Gupta，in Mass Metrology：The Newly Defined Kilogram（Springer International Publishing，Cham）.2019：365-384.

[5]張鐘華.中國計量.2002（08）：5-9.

[6]劉克杰.陰山學刊（自然科學版）.2007（02）：58-60.

[7]朱星，B.Skuse，物理.2018，47（12）：795-797.

[8]E.L.English，S.Shemar，K.Burrows，C.Langham，H.Collingwood and P.Whibberley，International Association of Geodesy Symposia，2019.

作者簡介：李蓉，本科，湖南省計量檢測研究院工作人員，從事計量相關工作。