國際單位制（SI）進(jìn)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(jīng)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(shí)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(jīng)由量子化（普朗克常數(shù)、基本電荷常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、和阿伏伽德羅常數(shù)）進(jìn)行定義，標(biāo)志著SI進(jìn)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(chǎn)業(yè)和市場的影響。

關(guān)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(jīng)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(shí)施。[1]現(xiàn)今實(shí)施的SI，是以7個基本單位：千克（質(zhì)量）、米（長度）、秒（時間）、安培（電流）、開爾文（熱力學(xué)溫度）、摩爾（物質(zhì)的量）和坎德拉（發(fā)光強(qiáng)度）以及從這7個單位引申的導(dǎo)出單位和輔助單位組成。[2]

其中，秒和米率先實(shí)現(xiàn)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(chǔ)屬性。但質(zhì)量、電流、熱力學(xué)溫度和摩爾四個領(lǐng)域的定義依然依靠原器和試驗的量測，存在較大的不穩(wěn)定性，越來越不適應(yīng)社會發(fā)展的的需要，制約了科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jīng)由量子常數(shù)（普朗克常數(shù) h、基本電荷常數(shù) e、玻爾茲曼常數(shù) k、和阿伏伽德羅常數(shù)NA）進(jìn)行定義，標(biāo)志著SI進(jìn)入全面量子化時代。

2 現(xiàn)行SI的困境

2.1 實(shí)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之源。[3]而實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使它的特性發(fā)生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會有所改變。事實(shí)上，我們根據(jù)國際計量局官方數(shù)據(jù)，IPK在近一百年間一直在緩慢變化。[4]受限于千克的數(shù)量級，對更低數(shù)量級質(zhì)量的量測也非常困難。

再者，作為最高等級的實(shí)物計量基準(zhǔn)全世界只有一個或一套，一旦受到不可抗力等因素發(fā)生意外損壞，就會導(dǎo)致原有連續(xù)保存的單位量值中斷，產(chǎn)生重大影響。

此外，量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級的實(shí)物基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場所，量值要經(jīng)過多次傳遞，準(zhǔn)確度也必然會有所下降。[5]。

多個單位受制于千克的定義導(dǎo)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(xiàn)行SI定義中，摩爾是0.012千克的碳12同位素原子的數(shù)量，而碳原子的質(zhì)量是真實(shí)不變的，但因為千克定義的波動，導(dǎo)致摩爾在事實(shí)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(xiàn)行SI規(guī)定：“載有等量電流，相距1米的兩根無限長平行直導(dǎo)線，每米長度上的作用力為2*10-7N時，每根導(dǎo)線上的電流強(qiáng)度”。而無限長導(dǎo)線這一設(shè)定在實(shí)驗中是不可能復(fù)現(xiàn)的，導(dǎo)致安培的定義被虛化，實(shí)驗室無法百分百重現(xiàn)安培。[6]

通過修訂電流的定義，將根據(jù)通過的電子數(shù)來計量，安培終于可以擺脫“無限長導(dǎo)線”的魔咒，新進(jìn)一步適應(yīng)對未來科學(xué)研究和社會發(fā)展的需要。

3 量子物理學(xué)的光輝

20世紀(jì)量子物理學(xué)的光輝成就為量子基準(zhǔn)的建立提供了重要的理論基礎(chǔ)，量子基準(zhǔn)是將基本單位溯源到物理常數(shù)或量子物理效應(yīng)，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(fā)生漂移。與實(shí)物基準(zhǔn)相比，量子計量基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度可以大幅度提高。因此，量子基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)是現(xiàn)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(yīng)性的角度，進(jìn)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(chǔ)，相比利用原器來進(jìn)行定義，具有諸多決定性的優(yōu)點(diǎn)。從此告別了對實(shí)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(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)單位，

4 結(jié)論與展望

人類對世界的認(rèn)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(xué)都是基于測量以及不同測量公式之間關(guān)系的。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量是科學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是所有被我們習(xí)以為常的事物以及所有新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

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(wěn)定性和實(shí)用性。看似并不明顯的變化帶來了深刻的內(nèi)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(shí)房子變得更堅固耐久了。

1967年對秒定義的修訂，促成了遠(yuǎn)程時鐘的同步與校驗技術(shù)的發(fā)展，使我們在今天得以擁有了GPS、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，[8]它們的存在、和被發(fā)明，都是建立在計量科學(xué)不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上。這次量子化修訂，是SI自1960年創(chuàng)建以來最為重大的變革，將從根本上保證SI的長期穩(wěn)定性，對科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

參考文獻(xiàn)：

[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(jì)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(xué)刊（自然科學(xué)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(guān)工作。