淺析國際單位制的發展及基本單位的量子化定義

吳 卓

（中國電子科技集團公司第四十七研究所 沈陽 110032）

引言

古代的計量是以人體或實物為計量基準，中國計量可以追溯到四、五千年以前的原始社會末期，公元前350年商鞅輔助秦孝公變法，推行一國之內統一的度量衡制[1]，后來發展成為中國秦朝第一個統一的度量衡制度，這對秦始皇統一中國及后來的發展發揮了重要作用。近代的計量學是與近代物理學同步發展的，統一了基本的物理量值，確定了計量基準及溯源方式，保障了歐洲工業和貿易的迅速發展及科學技術交流，成為工業革命的基石[2]。當代社會正向數字經濟和人工智能的方向發展，國際單位制實現了具有里程碑意義的量子化定義，標志著新時代計量開始進入滿足精準化測量的智能化時代[3]。

1 計量的概念及國際單位制的發展

1.1 計量與計量學的概念

計量是為實現計量單位統一、保證量值準確可靠的活動[4]。在科研、生產、生活、社會管理量化實踐活動中，應采用法定計量單位，通過計量、測量、比對等方法，確保測量結果的量值可以溯源到計量基準。

計量學是關于測量及其應用的科學。計量單位和單位制、量值傳遞和溯源等涉及有關測量的各個方面都是計量學的研究對象。從專業領域劃分，可分為幾何量、力學、聲學、熱學、電磁學、無線電、光學、電離輻射、時間頻率和化學等十大分計量專業[4]。各專業分領域還包括眾多的被測量及其對應的計量單位，如力學量還有力（N）、扭矩（N.m）、壓力（N/m2）、速度(m/s)、角速度（°/s）、加速度（m/s2）、流量（m3/s）等等，但它們都可以通過國際單位制確定的幾個基本單位導出獲得。

1.2 國際單位制（SI）的發展

1.2.1 初期計量基準

國際單位制是世界上普遍采用的計量單位制，是構成國際計量體系的基石[5]，它由最初由法國1795年立法創建的米制演變而成。1875年5月20日，17國簽署了米制公約，成立了國際計量大會（CGPM）、國際計量委員會和國際計量局，商定了由米、千克和秒三個基本單位組成的米-千克-秒單位制( MKS制)，其中米和千克采用實物定義，而時間單位秒采用天文秒。1889年第1屆CGPM批準了以鉑銥合金制成的定義米和千克的兩個新國際原器。電流、熱力學溫度和發光強度的單位安培、開爾文和坎德拉是1954年才引入作為基本單位。1960年第11屆CGPM將包含米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、開爾文（K）和坎德拉（cd）六個基本單位的單位制命名為國際單位制（SI）[3]，1971年第14屆CGPM將物質的量的單位摩爾引入SI基本單位。

1.2.2 中期計量標準

近半個多世紀以來隨著計量科學的不斷發展，時間、長度和發光強度這三個量的基本單位已逐步實現由非實物的自然基準定義。1960年建立了新型米定義，以86氪原子的2p10和5d5能級之間躍遷的輻射在真空中的波長0.605 780 21 us作為自然基準，米的長度是該基準的1 650 763.73倍；1979年國際米定義咨詢委員會進一步對長度單位提出建議，將新米定義為“米的長度等于在真空中的平面電磁波在1/299 792 458 s內所走過的距離”。后者的準確度比米原器提高了幾千倍。時間單位秒采用自然基準進行重新定義是得益于原子鐘技術的不斷發展，在1967年第13屆CGPM上決定用原子秒替代天文秒，以銫-133原子基態兩個超精細能級間的躍遷頻率作為自然基準，秒定義為對應輻射信號的9192631770個周期的持續時間。坎德拉采用自然基準定義是在1979年第16屆CGPM上決定的，坎德拉定義為一發出頻率為540×1012Hz的單色輻射光源在給定方向上輻射強度為(1/683) 瓦特每球面度（W/sr）的發光強度。

1.2.3 新時期計量標準

2018年11月16日，第26屆CGPM通過了2019年5月20日的世界計量日正式生效的關于“修訂國際單位制（SI）”的 1號決議。根據決議，質量的單位千克、物質量的單位摩爾、電流的單位安培、溫度的單位開爾文4個基本單位采用物理常數重新定義,從此SI的7個基本單位全部實現由7自然常數定義。這7個自然常數為銫-133原子不受干擾的基態的超精細躍遷頻率（9 192 631 770 Hz）、真空光速c（299 792 458 m/s）、普朗克常數 h（6.626 070 15×10-34J·s）、阿伏加德羅常數NA（6.022 140 76×1023mol-1）、基本電荷e（1.602 176 634×10-19C）、玻耳茲曼常數k（1.380 649×10-23J/K）、頻率為540×1012Hz的單色輻射的光視效能Kcd（683 lm/W）[3]。自2019年5月20日開始, 國際基本單位采用實物基準的歷史便徹底結束，SI全面量子化的新時代正式開啟。

2 SI基本單位的量子化定義

2.1 秒（s）的量子化定義

時間單位秒，符號 s，用銫133 原子基態的超精細能級躍遷頻率（=9 192 631 770 赫茲）來定義, 因為赫茲即為s的倒數，因此有

2.2 米（m）的量子化定義

長度單位米，符號 m，用真空中光的速度（c=299 792 458 米/ 秒）來定義。

2.3 千克（kg）的量子化定義

千克為質量的單位，符號kg，用普朗克常數 h（h=6.626 070 15×10-34焦·秒）來定義，焦·秒（Js）即kgm2s-1，由普朗克常數可得[6]：

2.4 摩爾（mol）的量子化定義

物質的量的單位摩爾，符號mol，用阿伏伽德羅常數NA（NA=6.022 140 76×1023/ 摩爾）來定義。

1摩爾任何物資（包括原子、分子、離子等微觀粒子）含有阿伏伽德羅常數個微粒，但是當前采用微觀粒子計數方法實現摩爾數測量的技術還不完全成熟[5]，有待進一步研究。

2.5 開爾文（K）的量子化定義

熱力學溫度的單位開爾文，簡稱開，符號 K，用玻爾茲曼常數 k（k=1.380 649×10-23焦 / 開）來定義[7]。

2.6 安培（A）的量子化定義

電流的單位安培， 符號A，用基本電荷常數 e（e=1.602 176 634×10-19庫侖）來定義。

2.7 坎德拉（cd）的量子化定義

坎德拉是沿給定方向的發光強度單位，簡稱“坎”，符號 cd，用540×1012Hz的單色輻射的光視效能Kcd（Kcd=683 lm/W）來定義。光視效能Kcd的單位流明/瓦（lm/W），即cd·sr·W-1或cd·sr·kg-1m-2s3，其中kg、m、s用自然常數h、c、來定義。cr為球面度[]。

上述定義也是基于通過光子計數技術得到光子數目的條件還不成熟的現狀[7]，未來發光強度單位坎德拉可能會重新基于光子數而進行量子化定義。

3 結束語

隨著世界計量量子化變革，國際單位制的7個基本單位已全面由自然常數重新定義，這就決定了未來的所有測量活動都可不再依賴于實物基準，而是依托類似芯片原子鐘一樣的量子基準信號，內嵌計量基準的智能裝備可以實現自主量值傳遞，實現無處不在的準確測量[8]。在全球進入了以量子基準為核心的 “先進測量”時代，我國也迎來了計量發展的重大戰略機遇期，先進的計量技術及其推廣應用必將得到快速發展，并為實現現代化強國提供基礎保障。