采访专家：李正坤（中国计量科学研究院研究员、电学量子基准实验室主任）

人类将如何测量世界？第26届国际计量大会（CGPM）给出了新的答案。由50多个国家投票通过决议，从2019年5月20日世界计量日开始，“千克”“安培”“摩尔”“开尔文”4个SI（国际单位制）基本单位将被重新定义。虽然新定义后的“千克”并不会使人们的体重变轻，但使用实物作为量值基准的历史却由此落下帷幕。

偏差50毫克引发的变革

在大会之前，国际单位制（SI）的七个基本单位，唯有“千克”还是以实物作为量值基准的。一颗高尔夫球大小的铂铱合金圆柱体，就是国际千克原器（The International Prototype Kilogram，简称IPK）。它的直径和高均为39.17毫米，由90%铂和10%铱的合金制成，被人们亲切地称为“大K”。

“大K”的任务是每隔几十年做一次质量校对。因而，从1889年至今，在三层钟形玻璃罩保护下的“大K”，一直深居在位于巴黎的国际度量衡局总部的地下室的保险柜中，只有六个同为1千克标准的官方复制品与其相伴。打开储藏室需要三把不同的钥匙，由三名不同国籍的高层分别保管，三人同时到场才能取出“大K”。

每隔40年，“大K”都会被取出一次接受清洁和检查，迄今共“面世”过4次。即便科学家们已经尽可能做到小心翼翼，但历经沧桑的“大K”还是发生了细微变化：一会儿因为空气污染而“变胖”，一会儿又因为氧化而“变瘦”，误差以微克来算就显得比较大了，可达1-2颗尘埃的重量。在服役129年后，科学家们发现，当前的“大K”与其副本之间出现了平均50微克的偏差。

▲科学家在给“大K”称体重

中国计量科学研究院研究员、电学量子基准实验室主任李正坤告诉北京科技报记者，虽然“大K”及其复制品均采用当时最好的材料及工艺制成，满足当时计量基准的准确度及稳定性要求，但实物基准一旦制成，会有不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它所保存的量值会有所改变。

日常生活中，50微克仅相当于一根眼睫毛的重量，但在科研领域，它却是科学家们眼中容不下的一粒沙。为此，国际计量界开始为“千克”寻找更精准的定义。

七个基本单位及新定义

事实上，国际单位制（SI）共有七个基本单位。它们所遵守的最重要的原则是“For all people, for all time”，即不因使用者也不因使用时间的改变而改变。而对国际单位制（SI）而言，不断寻求更精准的基准才能为基本单位建立更稳固的“地基”。因而，当科学家们可以准确测量自然界的基本物理常数，如光速和普朗克常数时，采用基本物理常数反过来定义基本单位将从理论上彻底消除单位基准随时间的漂移。

2018年11月16日，第26届国际计量大会上，各个成员国表决最终通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议。根据决议，国际单位制（SI）基本单位中的4个，即千克、安培、开尔文和摩尔分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿伏伽德罗常数NA定义。这一自1960年国际单位制（SI）创建以来最为重大的变革，将从根本上保证国际单位制（SI）的长期稳定性，以及对科技创新、产业发展和全球治理等产生深远的影响。为此，国际计量局局长马丁·米尔顿则将其誉为“人类历史的一座里程碑”。

SI不求永恒，只为普世

其实，国际单位制（SI）起源于法国大革命时期所创建的米制。最早的两台铂金标准器分别定义了基本单位“米”和“千克”，并于1799年将两件实物标准器存放至法国国家档案馆中。七十年后，拿破仑三世时期建立了国际科学委员会，为促进贸易发展，便于各国间开展测量结果的比对，进一步宣传米制测量，国际米原器应运而生。

1875年，十七个国家共同签署了一项《米制公约》，并在其框架下成立了国际计量大会（CGPM）、国际计量委员会（CIPM）和国际计量局（BIPM），确定“米”和“千克”均基于实物来定义，“秒”则由天文秒来定义。

第11届CGPM会议于1960年召开，确立作为电流、热力学温度和发光强度基本单位的安培、开尔文和坎德拉，与米、千克和秒等共六个基本单位的制度，并将其命名为国际单位制（SI）。1979年，物质的量的基本单位“摩尔”成为国际单位制（SI）的第七个基本单位。

在国际单位制（SI）的这七个基本单位中，被重新定义最多的是“米”和“秒”。实物的铂金标准器赋予了“米”最初的定义，即使是晋升为国际制后，“米”一直沿用基于实物的量值定义方式。

▲1889年的国际米原器

直到1983年，“米”被定义为光在真空中于1/299 792 458秒内行进的距离，由此成为了国际单位制（SI）中首个以常数——真空光速来定义的基本单位。

20世纪中叶，随着量子技术的发展，人类对各种物理量的测量准确度得到了极大的提高，时间、长度的国际单位制（SI）单位先后经历了修订。1875年刚刚被列为基本单位时，“秒”被定义为天文秒，1967年基于铯原子的特性，“秒”被重新定义为原子秒。发光强度基本单位“坎德拉”也曾从单色辐射的角度于1979年被重新定义。

随着测量能力的提升，测量标准随之提高，由此诞生的国际单位制（SI）的重新定义也在一定程度上推动着科学技术的发展和创新。

“新的国际单位制（SI）将在未来对科学、技术、贸易、健康、环境以及更多领域产生深远影响”，李正坤举例说，用原子特性修订“秒”的定义时，人们并不知道它会用在哪里。如今，准确的计时已成为工业领域的基础部分；基于原子钟的计时技术已成为互联网、移动通信等技术的基础；而基于秒的定义和原子钟对秒的复现，人们才能够准确测量时间，使用GPS进行有效定位，才有了精确导航的实现。

定义只是第一步，复现是关键

那么，普朗克常数将如何为“千克”定义呢？

▲马克斯·普朗克是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人，和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理

实际上，普朗克常数的单位是焦耳秒。焦耳的定义是1牛顿（即：使1千克物体有1米每秒平方的加速度）的力使物体在力作用的方向上移动1米时所做的功。当焦耳与千克间接取得了联系，普朗克常数的单位也就可以用kg⋅m^2⋅s^−1来表示，继而便可以为“千克”做出精确的定义了。

然而，定义只是第一步，如何测量出“千克”才是关键。实物基准时期，可将复现的原器送至国际计量局溯源，与“大K”的量值进行比对。但第26届国际计量大会的决议中，并没有体现重新定义后的“千克”的任何复现方式。国际计量局（BIPM）曾指出瓦特天平、X射线衍射晶体密度测量装置等是复现千克量值的备选方案。李正坤则表示，国外通过功率天平装置，国内通过能量天平装置均可建立电学量和机械量之间的联系，从而借助于电学量子基准，均可以实现千克量值的复现。

国际计量局官方声明显示，国际计量局将在千克重新定义后继续开展关于千克复现基准方法的国际比对，并得出千克的国际“共识值”。建有相关复现装置的国家计量院必须在“共识值”的基础上依据新定义进行量值传递，直到其独立复现的不确定度达到与“共识值”相当的水平。而其它不能独立复现千克的成员国，则可以通过国际计量局的校准服务实现质量量值对国际单位制（SI）的溯源。

“新的国际单位制（SI）的实施必然改变现有国际计量格局和计量工作体系”，李正坤认为，国际计量局的角色将从千克单位的溯源源头转变为国际比对的组织者，通过比对可以确认各个国家的千克复现装置的一致性。

正因为实物量值标准的彻底隐退，以国际计量局为全球测量体系量值溯源的单极中心局面，将会发展为以部分先进国家计量院为主体的量值溯源多级中心。换言之，谁具备基本单位的复现装置，且能够与各国复现装置保持一致性，那么，谁就有资格扮演“国际计量局”以往的角色。

文/北京科技报社记者 李晶

编辑/吉菁菁

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新媒体编辑/孙浩