| 标题 | 国际单位制（SI）进入全面量子化时代 |
| 范文 | 摘 要：2019年5月20日是第20个世界计量日，届时，在2018年经26届国际计量大会（CGPM）通过的新修订的国际单位制（SI）会正式实施。这次修订，将SI的7个基本单位中的四个（千克、安培、开尔文和摩尔）重新经由量子化（普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数、和阿伏伽德罗常数）进行定义，标志着SI进入全面量子化时代。本文主要探讨量子化SI的来龙去脉以及对科技、产业和市场的影响。 关键词：计量;国际单位制;量子化 1 绪论 2019年5月20日是第20个世界计量日，届时，在2018年经26届国际计量大会（CGPM）通过的新修订的国际单位制（SI）会正式实施。[1]现今实施的SI，是以7个基本单位：千克（质量）、米（长度）、秒（时间）、安培（电流）、开尔文（热力学温度）、摩尔（物质的量）和坎德拉（发光强度）以及从这7个单位引申的导出单位和辅助单位组成。[2] 其中，秒和米率先实现了量子化，因为秒和米利用了基于始终不变的量子常量。比如，秒的定义基于铯原子的电子跃迁频率，米的定义则是利用了光速作为宇宙基础属性。但质量、电流、热力学温度和摩尔四个领域的定义依然依靠原器和试验的量测，存在较大的不稳定性，越来越不适应社会发展的的需要，制约了科技创新与产业发展。 这次修订，将SI的7个基本单位中的四个（千克、安培、开尔文和摩尔）重新经由量子常数（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）进行定义，标志着SI进入全面量子化时代。 2 现行SI的困境 2.1 实物原器带来的问题 自1889年起，千克一直由铂铱合金制成的国际千克原器（简称IPK）定义的，它是所有国家质量标准之源。[3]而实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化，因而它所保存的量值也会有所改变。事实上，我们根据国际计量局官方数据，IPK在近一百年间一直在缓慢变化。[4]受限于千克的数量级，对更低数量级质量的量测也非常困难。 再者，作为最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦受到不可抗力等因素发生意外损坏，就会导致原有连续保存的单位量值中断，产生重大影响。 此外，量值传递检定系统庞大繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降。[5]。 多个单位受制于千克的定义导致精确度徘徊不前，甚至还有倒退。比如7大基本单位之一的摩尔，在现行SI定义中，摩尔是0.012千克的碳12同位素原子的数量，而碳原子的质量是真实不变的，但因为千克定义的波动，导致摩尔在事实上成为了一个不定的波动值。 2.2 亟待修订的其他基本单位 安培的定义同样饱受诟病。现行SI规定：“载有等量电流，相距1米的两根无限长平行直导线，每米长度上的作用力为2*10-7N时，每根导线上的电流强度”。而无限长导线这一设定在实验中是不可能复现的，导致安培的定义被虚化，实验室无法百分百重现安培。[6] 通过修订电流的定义，将根据通过的电子数来计量，安培终于可以摆脱“无限长导线”的魔咒，新进一步适应对未来科学研究和社会发展的需要。 3 量子物理学的光辉 20世纪量子物理学的光辉成就为量子基准的建立提供了重要的理论基础，量子基准是将基本单位溯源到物理常数或量子物理效应，不受宏观因素的影响，所保存的基本单位量值不会随时间发生漂移。与实物基准相比，量子计量基准的稳定性和准确度可以大幅度提高。因此，量子基准取代实物基准是现代计量的趋势。[5] 新的SI也是基于上述原因，从链路传递的扁平化以及未来适应性的角度，进行了全面量子化的修订。[7]修订后的SI，使用量子常量作为定义单位的基础，相比利用原器来进行定义，具有诸多决定性的优点。从此告别了对实物的依赖，可以不受时间和空间的限制，在宇宙的任何一个角落复现标准单位， 4 结论与展望 人类对世界的认识是基于量测的。只有通过测量，你才能最终理解它。我們所有的科学都是基于测量以及不同测量公式之间关系的。严谨的测量是科学创新的基础，是所有被我们习以为常的事物以及所有新发现的基础。 修订后的4个基本单位将与秒、米、坎德拉一起，提高SI的整体稳定性和实用性。看似并不明显的变化带来了深刻的内涵。就像你给房子换了一个更坚固的地基，从表面上看不出来，其实房子变得更坚固耐久了。 1967年对秒定义的修订，促成了远程时钟的同步与校验技术的发展，使我们在今天得以拥有了GPS、互联网技术，[8]它们的存在、和被发明，都是建立在计量科学不断进步的基础上。这次量子化修订，是SI自1960年创建以来最为重大的变革，将从根本上保证SI的长期稳定性，对科学、技术、贸易、健康、环境以及更多领域产生深远影响。 参考文献： [1]晏刘莹，高蔚.中国计量.2018（12）：6-8. [2]W.J.R.D.N.C.Bich，RIVISTA DEL NUOVO CIMENTO.2019，42（2）：49-102. [3]纪亮.中国计量.2018（12）：5-6. [4]S.V.Gupta，in Mass Metrology：The Newly Defined Kilogram（Springer International Publishing，Cham）.2019：365-384. [5]张钟华.中国计量.2002（08）：5-9. [6]刘克杰.阴山学刊（自然科学版）.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. 作者简介：李蓉，本科，湖南省计量检测研究院工作人员，从事计量相关工作。 |
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