INTRODUCTION 2018 年11 月，第26 屆國際計量大會（CGPM）經國際計量局（BIPM）正式成員國表決，全票通過了關于國際單位制（SI） 修訂的“1 號決議”。根據決議，新SI 所有基本單位的定義都將建立在7 個常數上，從而使SI 以更高穩定性、全球通用性、復現方法多元性等優勢，滿足科學探索、技術發展等人類活動在長遠未來的需求。 根據決議，新SI 將于2019 年5 月20日起正式生效。新SI 到底改變了什么？為什么要做出這樣的改變？哪些用戶將受到影響或不受影響？新舊SI 更替之際需要我們做好哪些準備？國際計量局（BIPM）梳理了關于新SI 最常被問及的21 個問題，并對這些問題進行了權威解答。 修訂后的SI有什么變化？ A1：千克（kg）、安培（A）、開爾文（K）和摩爾（mol）將具有新的定義。這些新定義都經過了精細的考量，因此各個單位的大小在新舊定義更替之際不會發生顯著變化。新的定義已在第26屆國際計量大會上經國際計量局正式成員國表決通過，并將于2019年5月20日起正式生效。 修改SI定義的意義是什么？ A2：用基本物理常數重新定義千克將確保其具有長期穩定性，進而變得更加可靠。這是現行的千克定義所不能保證的。 安培和開爾文的新定義將極大提升與它們相關的電學量以及輻射溫度測量的準確度。這將即刻對電學測量產生影響：目前最準確的電學量需要依據約瑟夫森效應和量子化霍爾效應測出——而新的SI單位固定了普朗克常數h和基本電荷e的數值，使約瑟夫森常數和馮·克里青常數也具有了確切的數值。這將終結電學測量結果必須采用約定電學單位而不是SI單位來表達的局面（見A 14）。 新的開爾文和千克定義將固定輻射能量和熱力學溫度之間的轉換因子（斯特藩-玻爾茲曼常數）的數值，這將引領溫度計量隨科技進步。 新的摩爾定義將比現行定義更簡單，它將幫助SI的使用者更好理解“物質的量”的數量及其單位的本質。總而言之，修訂后的SI將更好適應21世紀的技術需求。 秒（s）、米（m）和坎德拉（cd）的定義會如何？ A3：秒、米、坎德拉的定義將不變，但是它們的表達方式會有一定改變，以與千克（kg）、安培（A）、開爾文（K）和摩爾（mol）新定義的表達方式一致。這些新的表達方式通過了第26屆CGPM大會表決，并將于2019年5月20日起生效。 修訂后的SI生效后，國際千克原器（IPK）會怎么樣？它會被放在博物館里供大家參觀嗎？ A4：目前我們并不打算改變IPK的存放環境條件。它仍將保存在國際計量局，還不能接受公眾的參觀。由于IPK仍保持著一些計量學上的意義，所以未來對它的質量監測仍將是零星進行的，從而盡可能避免監測為IPK表面帶來損傷。未來對IPK質量的測量或許可以幫助我們推斷IPK的質量在過去一段時間的穩定度。 今后我送檢質量標準器，它們在新SI框架下的校準方式和過去一樣嗎？ A5：千克的新定義生效后，你可以和現在一樣將質量標準器送到所在國的國家計量院（NMI）或次級校準實驗室進行校準。但是，各個國家計量院用于鏈接到SI千克的溯源途徑會發生改變。 事實上，在千克重新定以后，國際計量局將繼續組織不同復現基準方法間的國際比對，并根據比對結果得出千克的國際“共識值”。建有相關復現裝置的國家計量院必須在“共識值”的基礎上依據新定義進行量值傳遞，直到其獨立復現的不確定度達到與“共識值”相當的水平，以此來保持（各國計量院簽發的）校準證書的國際一致性，并保證證書符合《各國計量基(標)準互認和各國計量院簽發的校準與測量證書互認協議》（CIPM MRA）的原則和條款。 其它不能獨立復現千克的（國際計量局）成員國，則可以在“共識值”使用期間，通過國際計量局的校準服務直接獲得（該國質量基準值）到同一個“共識值”的溯源性。 一旦各個實驗室可以獨立復現自己的千克量值，我們怎么能保證實驗室之間的復現結果是可比的？ A6：就千克的情況來說，到了“共識值”不再有必要存在的階段，所有的實驗室將需要證明其復現結果到千克新定義的溯源性——這個定義是基于常數的。由于實驗帶來的不確定度常常有可能被低估或錯估，因此所有聲稱自己可在最低不確定度范圍內復現千克的實驗室，將必須通過定期與同行進行比對來獲得復現結果的可比性。早在1999年，《各國計量基(標)準互認和各國計量院簽發的校準與測量證書互認協議》（CIPM MRA）就建立了（關于國際比對的）基本機制，這些機制在計量界應用廣泛。 各國的國家計量院是否也必須利用“共識值”來傳遞其它三個重新定義的單位？ A7：不。千克是個特例。電學單位和開爾文的情況將在A14和A8進行解答。對摩爾而言，當前的應用不會發生任何變化。 在修訂后的SI框架下，我送溫度計時，它們的校準方式和過去一樣嗎？ A8：是的。新的開爾文定義不會對國際通用的ITS-90和PLTS-2000溫標的應用現狀產生即刻的影響。（國際計量委員會）溫度咨詢委員會（CCT）已經發布了有關新定義即刻影響和未來優勢的相關信息。 在修訂后的SI中，千克定義的參考常數是普朗克常數h，單位J s = kgm2s-1。但用一個自身單位就是千克的參考常數來定義它，不是更好理解嗎？這樣一來，我們就可以說“千克是<某種特定物質>的質量”，如特定數量的碳原子或硅原子質量。這樣的定義不是更好嗎？ A9：這個判斷在某種程度上是主觀的。需要注意的是，用于單位定義的參考常數并不必須與單位的量值大小相同（盡管對于千克來說這樣做在概念上會比較簡單）。在現行SI中，我們實際上已經用好幾個參考常數定義基本單位了。例如我們利用了參考常數——光速c在以m/s為單位時的數值來定義米，而不是用特定的長度來定義它。這個定義在目前看來并無不妥。這種（用常數定義單位的）方法始于1960年，當時安培的定義是基于一個單位是kg m s-2A-2的常數的固定值。（修訂后的安培定義變得更簡單了）。 拋開Q9的答案，仍然有人質疑用h而不是用碳12的原子質量m(12C) 定義千克是否合理。其中一個依據是：用于測定h值的基布爾天平[注]實驗需要用到一個操作復雜、造價昂貴的實驗裝置，而通過XRCD（X射線晶體密度）實驗測量硅28原子質量（從而推導到碳12原子質量）則相對簡單、便宜。所以選擇h而不是m(12C)作為千克定義的參考常數的根本原因是什么？ A10：這其實是兩個不相關的問題：1. 為什么選擇用h而不是用m (12C) 作為定義千克參考常數？2. 問題假定選擇h還是m (12C)決定了千克量值將由瓦特天平還是XRCD實驗復現。對嗎？ 問題1：一旦物理常數的數值被固定下來，它不需要、事實上也不能被測量。舉例來說，1983年SI以真空中光速c為參考常數重新定義了米，立刻為人類測量光速的悠久歷史劃上句號。這極大造福了科學與技術進步，其部分原因是光速c涉及到科學技術的眾多領域，每當SI推薦的c值發生變化，與之相關、為數眾多的常數和轉換因數的數值也必須隨之更新。現在看來，當時固定c的數值的決議無疑是正確的。 類似的，h是量子物理的基本常數，它的SI量值被許多現代科學和技術領域所廣泛使用。隨著實驗水平的提升，更新h的推薦值在最好情況下也是惱人的，在最糟的情況下則令人費解。固定h數值的根本原因與固定c的數值類似，但它除此之外還對電學計量有著特殊優勢，見A2。 當然，m (12C)不可否認是一個常量，而且它的值在化學和原子物理領域非常重要——因為原子量（化學家這么叫）或相對原子質量（物理學家這么叫）均建立在m (12C)上。盡管如此，原子量并不依賴于現行千克定義，新定義不會對它造成影響。 問題2：不。參考常數的選擇與千克的復現方式無關，2018年國際計量大會“決議1”中也并沒有體現任何復現方式。我們目前可以確定的是：一旦h成為新千克的參考常數，那么所有的復現方式必須溯源到h。但是，我們同時也確定，h/m (12C) = Q，其中Q是多個常數的乘積，包括有確切數值定義的常數和需要通過實驗測定數值的常數。根據這些常數目前的推薦值計算，Q的相對標準不確定度只有4.5×10-10。一套直接以h模式測量1千克標準并輔以長度、時間、電壓和電阻測量的裝置，比如基布爾天平，可以用于復現千克；而以m (12C)模式測量1千克標準的實驗方式，比如X射線晶體密度（XRCD）方式，也具有復現千克的潛力。這是因為m (12C)Q = h，通過測定m (12C)的方式得到h只需要（在m (12C)測量不確定度基礎上）付出合成Q的不確定度的代價，而Q的不確定度（~4.5×10-10）對于新定義來說可以忽略不計。現在斷言哪一種復現方法終將取勝或斷言不同方法將保持共存，都為時尚早。目前來說，所有這些實驗都是復雜且昂貴的。 與現行國際單位制（SI）相比，新SI中的7個基本量和單位會發生變化嗎？ A11：不，7個基本量（時間、長度、質量、電流、熱力學溫度、物質的量和發光強度）以及對應的基本單位（秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉）仍將保持不變。 SI中相互關聯的、具有特定名稱和符號的22個導出單位是否會發生變化？ A12：不，修訂后SI中22個具有特定名稱和符號的導出單位將保持不變。 新SI中，用于表述單位的倍數或因數的詞頭名稱及符號（例如用“kilo（千）”代表103，用“milli（毫）”代表10-3，等等）是否會發生變化？ A13：不，這些詞頭名稱及符號不會發生改變。 修訂后的SI單位大小會發生變化嗎？ A14：不會。SI的修訂符合所謂的“連續性條件”，這使得SI基本單位的大小在修訂前后不會發生變化，因此所有由基本單位導出的單位大小也不變。（電學單位是個例外，會有一點很小的變化：自1990年起，實用的電學單位建立在約瑟夫森常數和馮·克里青常數的約定值，而不是它們的SI舊定義上。修訂后的SI將使得實用電學單位“重回SI”。這將一次性導致新SI中電壓量值發生+0.1ppm的變化，電阻量值發生+0.02ppm的變化。） 你們將如何通過固定h的量值來定義千克，或通過固定e的量值來定義安培，諸如此類？你們怎么知道它們應固定到什么值上？如果你們突然發現選擇了錯誤的值會怎么樣？ A15：我們并不固定——或修訂——任何用于單位定義的常數的量值?；疚锢沓档牧恐凳翘烊徊蛔兊?，我們只是固定每個常數在采用SI單位進行表達時的數值。我們通過固定基本常數的數值來定義常數測量單位的大小。 例如：若c是光速的量值，{c}是它的數值，[c]是單位，使 c = {c} [c] = 299792458 m/s 則量值c是數值{c}和單位[c]的乘積，量值c永遠不變。乘數{c}和[c]或許會經由其他方式重選以保障乘積c不變。 1983年，我們決定將數值{c}固定為299792458，并以此定義了速度的單位[c]= m/s。由于時間單位秒/s已經（通過原子躍遷頻率）定義了，所以這主要起到了定義長度單位米/m的效果。新定義之所以選擇這個數值，是為了保證單位m/s的幅值不變，從而保證新舊單位的連續性。 好吧，你們實際上只是固定物理常數在使用新單位表達時的數值。以千克為例，你們選擇固定普朗克常數以新單位[h] = kgm2s-1表達時的數值{h}。但問題是，如果在SI修訂不久后，有新的實驗結果表明你們選擇了錯誤的{h}又該怎么辦？ A16：做出改變后，用于現行千克定義的國際千克原器（IPK）的實際質量將通過實驗來確定。如果我們選擇了“錯誤的值”，它僅僅意味著新的實驗告訴我們IPK的質量在修訂后的SI中并不精確等于1 kg。 這種情況只會影響宏觀的質量測量，不會對原子質量以及其它與量子物理相關的常數的值產生影響。但如果我們仍沿用千克在1889年一致通過的定義，我們將繼續承擔由參考值（即IPK的質量）不穩定帶來的后果——與真實不變的常量如原子質量或普朗克常數相比，IPK的穩定性是不確定的。 盡管關于IPK的質量相比真物理常量究竟在這些年間變化了多少，人們仍有爭議，但是新定義的優勢在于我們將確信，用千克定義的參考常數是真實不變的。 每個被用于單位定義的基本常數都有各自的不確定度；它的值并不能確切得知。但是新SI打算固定它們的確切數值？這是如何做到的？它們的不確定度呢？ A17：修訂前的SI將1 kg定義為IPK質量的確切值，其不確定度為零：ur(mIPK) = 0；而普朗克常數的值是通過實驗測定的，其相對標準不確定度大約是1.0×10-8，即ur(h)=1.0×10-8。 在新的定義中，普朗克常數的值是確定的，不確定度是0，而IPK的質量將通過實驗測得，并有約1.0×10-8的相對標準不確定度。也就是說，不確定度并不會在新的定義中消失，只是如下表所示，轉移到舊的參考標準上了： 用于千克定義的常數 修訂前的SI 不確定度水平 修訂后的SI 不確定度水平 IPK的質量，m(K) 精確等于 0 實驗測得 ~1.0×10-8 普朗克常數，h 實驗測得 ~1.0×10-8 精確等于 0 普朗克常數的單位與作用量的單位相同：J s = kgm2s-1。我們如何通過固定普朗克常數的數值來定義千克？ A18：固定普朗克常數的數值實際上定義了作用量的單位：J s = kgm2s-1。因為如果我們已經通過固定銫原子超精細能級躍遷頻率 新SI 基本單位的定義不是循環定義嗎？這并不令人滿意吧？ A19：不，它們不是循環定義。循環定義是指用定義結果去建立定義。新SI中每個基本單位都是通過指定定義常數的數值來定義的，但并沒有用結果來建立定義。 與現行國際單位制（SI）相比，新SI中的7個基本量和單位會發生變化嗎？ A20：不，7個基本量（時間、長度、質量、電流、熱力學溫度、物質的量和發光強度）以及對應的基本單位（秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉）仍將保持不變。 物理常數c、h和e將具有固定的數值。但是這樣一來不是也同時固定了精細結構常數的值嗎？這個值是不能被固定下來的！ A21：不是這樣的。精細結構常數仍將由實驗測得。在SI中，精細結構常數始終由c、h、e和μ0決定。第四個常數是真空中的磁導率，在舊定義中定義了安培。但是在修訂后的SI中，μ0將通過測量精細結構常數的實驗得出。 來源：中國計量科學研究院 原載于《中國計量》2019年第一期。 編譯：陳杭杭 原文鏈接： https://www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/faqs.html(133Cs)hfs的數值定義了秒（s），通過固定真空中光速的數值定義了米（m），那么我們就可以通過固定單位kgm2s-1的大小來定義單位千克（kg）。
