走近新的國際單位制
——上海市計量測試技術研究院院長專訪

本刊：2019年5月20日“世界計量日”當天，新國際單位制正式生效。單位制是如何產生的？新的國際單位制為什么會被喻為根本性飛躍？

邵力：日常生活中，單位無處不在。比如，在一些生活場景中我們會看到， 400米跑可能要用時59秒，汽車的時速可能是87.4千米/小時等等。我們是用“量值”來描述自然界的萬物。單位是人們關于量值對話的基石。

單位制的出現是人類社會發展的產物。自從人類有了生產勞動和物品交換，就必然需要計量單位。整個世界總歸是要以一定的方式來描述，從科學技術來講，可以使用很多參數來描述。這些參數需要去表征，即需要數字和與之匹配的某個單位來表述量值。當然，這個世界是錯綜復雜的，不是某一個參數就能夠表征的，必須是多參數的。所以，整個單位制意味著我們手里捏著一捆尺子，每一根尺子代表著對某一個參數的定義和表征。

在早期，人類活動范圍較小。比如氏族社會時，每個部落都可能形成各自獨立的單位制，使用不同的單位制，會產生很多誤解和麻煩。人類邁入工業社會后，建立共同承認的國際統一的單位制，成為世界發展的必然趨勢。

1875年，17個國家簽署《米制公約》，并正式同意推行統一的國際測量體系，國際單位制（SI）就此誕生。經過100多年的努力，國際單位制逐漸統一形成了7個基本單位。這7個單位就好比是7塊彼此獨立又相互支撐的“基石”，構成了國際單位制的“地基”。它們是時間s（秒）、距離m（米）、質量kg（千克）、電流A（安培）、溫度K（開爾文）、物質的量mol（摩爾）以及發光強度cd（坎德拉）。

在2018年的法國巴黎凡爾賽國際計量大會上，成員國一致同意：在2019 年5月20日“世界計量日”，實現這7個國際基本單位的標準全部建立在基本物理常數定義之上。2019年的“世界計量日”也成為被載入史冊的一天。

上世紀中葉開始，時間計量單位s最先開始以物理常數來定義，現在這7個國際基本單位已經全部可以用物理常數來定義。由于人們復現以物理常數定義的單位時，必須使用量子科學發展的理論和方法，隨著新國際單位制的推行，計量進入了所謂的“量子化時代”，因此被喻為根本性飛躍。

本刊：這個“根本性飛躍”具體的進步體現在哪里？

邵力：從計量的發展變遷來看，單位制就像人們表述和定義世界的一把標尺，數千年來這把標尺的刻度越來越細。單位的定義經歷了自然定義、實物定義，現如今，全部都用常數來定義，這是理念上的根本變化。

以我的理解，國際單位制的變革首先意味著測量極限的突破，眾多物理量、化學量和生物量的極限準確測量因此成為可能。這將使人類更早地攻克更多科學堡壘。同時，我們對所有參數的測量，從準確度等級來說，變得更加精準。現在，隨著進入量子化時代，以后，我們對參數的這樣一種表征，不再受很多傳統定義和方法的限制。這次變化的革命性意義在于，新國際單位制作為測量的通用語言將實現在任何時間、任何文明中保持等效。甚至未來，我們的后代可以在其他星球上復現出與其一致的量值。

具體來看，新國際單位制的推行，對某個參數最高值的復現來說，不再依賴于實物。譬如，位于法國巴黎國際計量局庫房里的千克原器，不再是絕對的質量計量的權威。從計量作為國家統一的象征而言，每個國家也提高了相應自主權，不需要再受其他國家、甚至國際組織在這方面的規定和制約。我們國家，只要有足夠的技術能力就能有效確定計量基準值。此外，我覺得還有一個特點，量子化時代以后，我們整個量值溯源可以變得簡單了，不用再像現在那樣，必須一個層級一個層級地傳遞，將來能避免層層溯源的方式所產生的一些誤差或者說不確定度。由于計量扁平化，我們最終獲得的測量結果的準確度可以比以往有大幅度提高。

本刊：可否舉個例子，具體解讀一下新國際單位制革新的內涵？

邵力：當然，一般社會公眾可能還感覺不到發生的變化。就如同我們給房子換了一個更加堅固的地基，不太會直接影響我們的生活起居。但實際上，它已經發生了脫胎換骨的變化，一旦遇到臺風、地震那樣的意外，便能感受到它的存在和好處。

我就以大家最為熟悉的空間長度m為例，幫助大家更為直觀地了解國際單位制革新的內涵。我們首先走近空間長度的標尺——“米”的世界。長久以來，我們一直在探索，用一種全球一致的“自然常數”，而非某種主觀的標準來定義長度單位。早期的人們用人體某個部位或自然物體作為長度的命名依據，并依托主觀意志進行長度觀測和測量。例如，在我國古書中有“布指知寸、布手知尺、舒臂為尋”“舉步為跬、倍跬為步”的記載。在古埃及，人們以某位法老自肘至指尖的長度作為一個腕尺，并以此建造出了金字塔。由此導致了主觀意志決定的單位種類繁多、雜亂無章。

18世紀末，法國科學家將地球子午線的1/40 000 000定義為1米，隨后利用7年時間，完成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。根據測量結果，在實物米尺的設計和選材上幾經改良，最終用鉑銥合金制作出保存“米”的實物——米原器。當時以同樣工藝制造了30把鉑銥合金米尺作為副原器，分發給《米制公約》參與國。這盡管比之前進了一大步，但我們也發現，近兩百年來，實物米原器在測量精度和穩定性方面都發生了變化，原器不像我們想象的那樣恒定。

后來，隨著人類對微觀世界認識地不斷深入，開始利用更為穩定和精準的微觀量子活動規律去定義單位。

上世紀80年代，科學家利用光波波長和真空中光在一定時間內行進的距離來定義“米”。1983年，米被定義為光在真空中于1/299 792 458秒內行進的距離，這是國際單位制的基本單位首次以基本常數——光速來定義。

我們知道，通過應用量子技術制造的原子鐘使時間計量達到了很高的準確度，而真空中的光速是自然界一個恒定不變的常數，具有更好的長期穩定性，用光速來測量長度，開啟了任意時刻、任意地點、任意主體根據定義復現“米”的大門。

本刊：那么時間和長度方面呢？長度測量的實現與時間有關，是否可以這樣理解，長度測量值準不準取決于時間測量準不準？

邵力：的確，從定義來看，長度的測量與時間的測量是密不可分的。事實上，在7個國際基本單位中，時間測量的精度是最高的。

測量時間的標尺是“秒”。我們知道，早期人類社會是通過觀測日月更替、四季變換，或者通過制作沙漏、水鐘和擺鐘等來計時的。在19世紀后期，人們通過地球周期運動導出定義了“秒”，選取地球自轉一周所用時間的1/86 400作為1秒。20世紀60年代，科學家利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波，重新修訂“秒”的定義。此后又對“秒”的表述作了修改。

如果我們把原子想象成一套鐘擺，那么，這個鐘擺1秒鐘可以擺動近92億次，這大幅提升了時間測量的精度。現如今，世界上最先進的原子鐘可以實現150億年不差1秒的測量精度。

雖然時間的定義確實達到了很高的準確度，但是科學地講，單臺裝置總有可能會發生故障。為了保證時間的一致性，科學家們傾向于用多臺原子鐘，形成一套更為穩定的時間系統。比如，國際通用的“協調世界時”，就是由全世界70多個實驗室的400多臺原子鐘提供的數據計算而成的。中國標準時間也是由若干個高水平的時間頻率實驗室參與的。

鑒于時間測量對于科技創新的重要性，國務院把“國家時間頻率中心上海分支機構”的建設，確定為上海科創中心建設的一項重要內容。國家時間頻率中心上海實驗室已于2018年10月正式成立，它將有力服務于上海科創中心建設和城市經濟建設發展。

本刊：感謝邵院長為我們深入淺出地介紹了“米”“秒”這兩個國際單位革新的內涵和隨之帶來的變化。那么測量準確度越來越高，對于我們日常生活有什么影響呢？新的國際單位制對于未來發展的意義又是怎樣的呢？

邵力：正如我之前所提到的，根基的變化帶來的改變是潛移默化的，新的國際單位制將為未來發展奠定基礎，所帶來的進步將會逐漸顯現出來。

以時間計量為例，高精準度時間的應用，使我們的城市變得更智能，社會管理更便捷、更可靠，同時極大改變了我們的生活方式。比如，我們現在習慣和依賴的互聯網、移動通信和衛星導航都離不開對時間的應用。

在當代，如果時間測量精度不能突破微秒量級的限制，就不可能有今天的全球導航定位系統。衛星定位需要通過測定電磁波信號傳播的時間，來測定衛星與地面物之間的距離。1微秒的時間測量誤差，導致的地面定位誤差大約是3米。所以我們前面說，空間位置的精度取決于時間度量的精度。

從技術發展來看，高精度的測量為半導體、集成電路技術注入了新的發展活力。反過來，芯片級的傳感器、物聯網的數據采集等技術可能無時無處不在提升我們的最佳測量。

對我們日常生活而言，測量準確度的提升對我們的影響還是有的，比如，上海每月進行的汽車牌照拍賣，在拍賣的最后幾秒鐘可能會有十幾萬單的競價，因此截止時間的精確度對于結果的公平性，很顯然是相當重要的。

總之，國際單位制的革新是科技進步的縮影，為我們未來的發展打下更扎實的基礎。全球的量值保持高度一致，將在未來對科學、技術、貿易、健康、環境，以及更多領域產生深遠影響，也將引領人類的步伐邁向地球之外的廣闊空間。