蘇更林

在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一度量衡，是一項(xiàng)造福全人類的偉業(yè)，這也是國際單位制的要義所在?；締挝恢哺谇把乜萍迹?wù)于整個社會，其每一次“進(jìn)化”都是計(jì)量科學(xué)的跨越。值此“世界計(jì)量日”之際，讓我們回望國際單位制7個基本單位的前世今生，去追尋那些烙刻在每個基本單位上的時代印記，并揭示基本單位將如何“變臉”。

秒：計(jì)量精度第一

“一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰?！惫湃撕芏孟r的道理。然而，人類對于時間的測量經(jīng)歷了極其漫長的過程。

我們的祖先是用春夏秋冬的四季輪回來定義年，用月球的圓缺變化來定義月，用太陽的東升西落來定義日，并且還出現(xiàn)了時、刻、更、點(diǎn)等許多獨(dú)特的計(jì)時單位。從17世紀(jì)開始，天文學(xué)家引入“平太陽日”的概念，即當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)一周，地球上任何地點(diǎn)的人連續(xù)兩次看見太陽在天空中同一位置的時間間隔為一個平太陽日。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)時精度不斷提高，人們希望找到一個更為準(zhǔn)確的時間尺度。1820年，法國科學(xué)院正式提出了關(guān)于“秒”的定義：一個平太陽日的1/86400為1秒（即平太陽秒）。這就是人們通常所說的天文秒，以天文秒為基本單位建立的時標(biāo)叫作世界時。

由于地球的自轉(zhuǎn)并不穩(wěn)定，因此天文秒的精度不高。1956年10月，國際計(jì)量委員會（CIPM）決定采用以地球公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的歷書時秒作為時間單位。然而，地球公轉(zhuǎn)的周期也不是恒定的，因此秒長也存在誤差。在這樣的背景下，“原子秒”登上了計(jì)時舞臺。

所謂原子秒，是基于原子躍遷頻率定義的秒長。原子秒誕生的技術(shù)支撐就是1952年面世的全球第一臺原子鐘以及其后登場的更為先進(jìn)的原子鐘。原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性令計(jì)量學(xué)家刮目相看。原來，原子躍遷的振蕩頻率十分穩(wěn)定，原子鐘精度可以達(dá)到百萬分之一秒，甚至千萬分之一秒。在1967年第13屆國際計(jì)量大會上，正式推出了“原子秒”的定義，即銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間。

為什么選取9192631770這個數(shù)字呢？原來，科學(xué)家用當(dāng)時最為準(zhǔn)確的天文秒作為“尺子”，在1個天文秒內(nèi)測量出的銫-133原子相應(yīng)能級間的躍遷周期數(shù)為9192631770。

原子秒取代天文秒，標(biāo)志著國際單位制時間計(jì)量從實(shí)物時代邁進(jìn)了量子時代。50年來，時間頻率的測量準(zhǔn)確度已經(jīng)躍升了1000萬倍，成為了目前測得最為準(zhǔn)確的物理量。目前，世界各國都采用原子鐘來產(chǎn)生和保持標(biāo)準(zhǔn)時間，這就是“時間基準(zhǔn)”。

我國科學(xué)家研制的鍶光鐘在時間頻率尖端前沿研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了與國際并跑。鍶光鐘的全稱為鍶‐87原子光晶格鐘，這是目前世界上頻率穩(wěn)定度最高的原子鐘，比現(xiàn)行秒定義所采用的銫原子噴泉鐘高出兩個數(shù)量級。

米：全球同此尺度

在人類的發(fā)展歷史上，關(guān)于長度的計(jì)量由來已久。然而，每個國家都有自己的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。即便在同一個國家，不同的地區(qū)和不同的歷史時期，長度單位的名稱和量值也是不一樣的。長度計(jì)量單位的雜亂無章，無疑為商品和文化交流帶來了諸多麻煩。

“米”的誕生就是為解決長度計(jì)量混亂問題而進(jìn)行的一個科學(xué)嘗試。1790年，法國國民議會通過決議，責(zé)成法國科學(xué)院研究如何建立長度和質(zhì)量等基本物理量基準(zhǔn)的問題，為統(tǒng)一計(jì)量單位打好基礎(chǔ)。1791年，米的定義誕生了，即把經(jīng)過巴黎的地球子午線，也就是經(jīng)線長度的4000萬分之一定義為1米。為什么要選取地球子午線作為米定義的參照系呢？因?yàn)楫?dāng)時認(rèn)為地球子午線長度是固定不變的。關(guān)于米的名稱，則是選取古希臘文metron（度量）一詞，后來則演變?yōu)閙etre（meter）。

從1792年開始，法國天文學(xué)家利用7年時間完成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。1799年，法國科學(xué)院根據(jù)測量結(jié)果制作了1米的長度基準(zhǔn)—米原器。

米原器用鉑制成，后被保存在巴黎檔案局，因此又被稱為“檔案米”。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“檔案米”要比實(shí)際值長了大約0.2毫米。誤差可能源于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，但并不影響米原器的科學(xué)地位。

1875年5月20日，20個國家正式簽署《米制公約》，確定米制為國際通用的計(jì)量單位，并決定成立國際計(jì)量委員會和國際計(jì)量局。

1889年，在第一屆國際計(jì)量大會上，批準(zhǔn)了“米”的定義，即1米的長度等于國際米原器在冰熔點(diǎn)溫度時兩刻劃線間的距離。國際米原器是國際計(jì)量局用含鉑90%、銥10%的合金制成，橫截面呈X形。鉑銥合金的特點(diǎn)是膨脹系數(shù)極小，并且這樣的形狀最堅(jiān)固又最省料。國際計(jì)量委員會從幾個米原器中選出一個作為國際米原器，并把其他分發(fā)給《米制公約》成員國作為國家基準(zhǔn)。

然而，國際米原器的精確度只有0.1微米，并且難以復(fù)現(xiàn)，容易損壞，隨時間會有緩慢的變化。所以，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越希望把長度的基準(zhǔn)建立在更科學(xué)、更方便和更可靠的基礎(chǔ)之上。這樣一來，用自然米取代實(shí)物米就成為了一個必然趨勢。

19世紀(jì)末，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鎘的紅色譜線具有非常好的清晰度和復(fù)現(xiàn)性。1927年，國際上決定用這條譜線作為光譜學(xué)的長度標(biāo)準(zhǔn)，這是科學(xué)家找到的第一個可用來定義米的非實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。

人們后來又發(fā)現(xiàn)，氪-86的橙色譜線比鎘紅線還要優(yōu)越。1960年，在第11屆國際計(jì)量大會上，決定用氪-86橙線代替鎘紅線，由此把1米長度定為氪-86原子在兩個特定能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍。

但是，由于原子光譜的波長太短，又容易受到電流、溫度等因素的影響，因此精度仍受限制?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，用激光代替氪譜線可進(jìn)一步提高長度測量的精度。

1983年10月，第17屆國際計(jì)量大會通過了米的新定義：1米是光在真空中1/299792458秒的時間間隔內(nèi)的行程長度。此次關(guān)于米的定義是長度計(jì)量科學(xué)史上的一次革命，具有非常重要的科學(xué)意義。把光速作為一個精確的常數(shù)，可以把長度單位統(tǒng)一到時間計(jì)量上，這樣就可以利用時間計(jì)量的高精度來提高長度計(jì)量的精度了。

千克：百年壽星讓位

我們常說的度量衡，其中的“衡”指的就是測量物體輕重（質(zhì)量）的工具，比如古代的桿秤以及現(xiàn)代的電子秤等。國際單位制中的質(zhì)量單位為千克，在現(xiàn)代社會中應(yīng)用十分廣泛。

千克的“誕生地”也在法國，第一個千克原器存放于巴黎檔案局，也叫“檔案千克”。1799年，法國科學(xué)家最初提出的千克定義是：1立方分米純水在最大密度（溫度約為4℃）時的質(zhì)量定為1千克。很顯然，最初的千克質(zhì)量單位是由長度單位米推導(dǎo)出來的。

后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個用純鉑制成的千克原器基準(zhǔn)并不準(zhǔn)確。1878年，國際計(jì)量局制造了幾個千克原器的復(fù)制品，為含90%鉑和10%銥的鉑銥合金圓柱體。1889年，在第一屆國際計(jì)量大會上，決定把其中質(zhì)量最接近原千克原器的一個作為國際千克原器，并存放于國際計(jì)量局。1901年，第三屆國際計(jì)量大會對千克定義做出明確規(guī)定，千克是質(zhì)量單位，等于國際千克原器的質(zhì)量。

作為國際單位制的基石，國際千克原器迄今已經(jīng)有129年的歷史了。曾幾何時，擁有國際千克原器的物理副本是一個國家的無上榮耀，因?yàn)橹挥小睹字乒s》組織成員國才能擁有國際千克原器的物理副本。

然而，在國際單位制的7個基本量中，千克是目前唯一依靠實(shí)物基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)的。實(shí)物基準(zhǔn)往往容易受到環(huán)境的影響，在長期穩(wěn)定性方面存在局限性。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過100多年歲月的洗禮，國際千克原器與其副本已經(jīng)出現(xiàn)了50微克的誤差。也許這50微克的誤差對我們的日常生活影響不大，但是在尖端科技領(lǐng)域那影響可就大了。

其實(shí)，計(jì)量科學(xué)家早就在思考這樣的問題，那就是如何用自然基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)來重新定義千克。據(jù)悉，一個關(guān)于用普朗克常數(shù)重新定義千克的提案，有可能成為國際標(biāo)準(zhǔn)。

普朗克常數(shù)是一個用以描述量子大小的物理常數(shù)，在量子力學(xué)中占有極其重要的地位。然而，普朗克常數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)來確定，因此其精度高低取決于實(shí)驗(yàn)儀器的測量精度。普朗克常數(shù)的高度精密測量需要借助于一種極為復(fù)雜的天平—瓦特天平，它由布里安·基布爾在1975年發(fā)明，因此又被稱為基布爾天平。

2018年11月，國際千克原器或?qū)劢K正寢，利用瓦特天平獲得的普朗克常數(shù)將用于千克的重新定義。屆時，千克基準(zhǔn)將正式步入量子時代。

開爾文：感知冷暖更準(zhǔn)

開爾文是英國著名的物理學(xué)家，在電磁學(xué)和熱力學(xué)方面都取得了很大的成就。特別是在熱力學(xué)方面，他是熱力學(xué)第二定律的奠基人之一，并創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)也稱絕對溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)。1954年，開爾文被確定為溫度的基本單位，并規(guī)定了熱力學(xué)溫度單位的定義，即選取水的三相點(diǎn)為基本定點(diǎn)，并定義其溫度為273.16開爾文。

1967年，第13屆國際計(jì)量大會給出開爾文的正式定義，即1開爾文等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。那么，什么是水的三相點(diǎn)呢？水的三相點(diǎn)是指水的固、液、氣三相平衡共存時的溫度，水的三相點(diǎn)溫度和壓強(qiáng)分別為273.16K和611.73Pa。

其實(shí)，在我們的生活中常用的溫標(biāo)為攝氏溫標(biāo)，它是由18世紀(jì)瑞典天文學(xué)家攝爾修斯提出來的。攝氏溫標(biāo)規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度為0℃，水的沸點(diǎn)為100℃，中間劃分為100等份，每等份為1℃。

熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)也是有聯(lián)系的。比如，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定了溫度的極點(diǎn)—絕對零度（0K，約-273.16℃），以此溫度點(diǎn)作為溫標(biāo)的出發(fā)點(diǎn)，而熱力學(xué)溫標(biāo)的分度間隔與攝氏溫標(biāo)的間隔是一致的。

熱力學(xué)溫標(biāo)是一個純理論上的溫標(biāo)，主要應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域?，F(xiàn)在，基于水的三相點(diǎn)的定義存在一定的缺陷，因此，重新定義開爾文很早就被列入了議程。

不久之后，開爾文將采用基于玻耳茲曼常數(shù)的新定義。玻耳茲曼常數(shù)是以奧地利物理學(xué)家玻耳茲曼命名的一個物理常數(shù)，它能夠把氣體分子的平均動能與絕對溫度聯(lián)系起來。利用玻耳茲曼常數(shù)重新定義開爾文，可以提高極端低溫和極端高溫下的測量精度。

在中國計(jì)量科學(xué)研究院2017年度十大科技事件評選中，我國科學(xué)家為開爾文重新定義進(jìn)行的玻耳茲曼常數(shù)測量名列其中?？茖W(xué)家采用聲學(xué)共鳴法和噪聲法兩種方法測量的玻耳茲曼常數(shù)皆被國際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會（CODATA）收錄，從而為開爾文重新定義做出了重要貢獻(xiàn)。

坎德拉：基準(zhǔn)與時俱進(jìn)

人類對于世界的認(rèn)識，大多是通過眼睛對光的感知而獲得的。我們生活中除了陽光之外還有許許多多的光，比如可燃物的燃燒、電光源的發(fā)光以及生物的發(fā)光等。人類對于光的認(rèn)識經(jīng)歷了極其漫長的過程，其中發(fā)光強(qiáng)度就是一個重要的方面。

1881年，國際電工技術(shù)委員會確定燭光為國際標(biāo)準(zhǔn)，其定義為：1磅鯨油制成6支蠟燭，并以每小時120格令（1格令約為0.0648克）的速度燃燒時，在水平方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光。對于燭光的定義，標(biāo)志著近代光度計(jì)量的開端，但是這樣的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性很差，復(fù)現(xiàn)性也不好。

1879年，法國科學(xué)家維奧列建議用處于凝固過程的1平方厘米純鉑表面的發(fā)光強(qiáng)度作為光度標(biāo)準(zhǔn)。1889年，國際電工技術(shù)委員會采用了維奧列的光度標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光強(qiáng)度的1/20作為發(fā)光強(qiáng)度的單位，叫作“小數(shù)燭光”。

1909年，英國、法國和美國的科學(xué)家共同用特制的電燈作為發(fā)光強(qiáng)度的基準(zhǔn)。這就是1921年被國際照明委員會討論通過的“國際燭光”。

1937年，國際計(jì)量委員會和國際照明委員會決定，按照金屬鉑凝固點(diǎn)的黑體輻射來定義發(fā)光強(qiáng)度的單位，單位名稱為“新燭光”，并定義全輻射體（即黑體）在鉑凝固溫度下的亮度為60燭光/平方厘米。

1948年，第九屆國際計(jì)量大會決定用坎德拉的名稱取代新燭光，坎德拉的拉丁文意為“用獸油制作的蠟燭”。1967年，第13屆國際計(jì)量大會又將坎德拉定義修改為：坎德拉是101325帕壓力下，處于鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體的1/600000平方米表面垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)度。

然而，在實(shí)驗(yàn)室利用黑體輻射基準(zhǔn)對坎德拉進(jìn)行復(fù)現(xiàn)時，其數(shù)據(jù)差異比較大。這說明上述基于黑體輻射基準(zhǔn)定義的坎德拉存在某些問題。1979年，第16屆國際計(jì)量大會決定對坎德拉重新進(jìn)行定義，即坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為540×10¹²Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特/球面度。定義中的540×10¹²Hz的單色輻射波長約為555nm，是人眼感覺最為靈敏的波長。該定義的優(yōu)點(diǎn)是容易復(fù)現(xiàn)，并且能夠較好地控制實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

安培：微觀取代宏觀

安培是一位偉大的物理學(xué)家，被譽(yù)為“電學(xué)中的牛頓”。為了紀(jì)念安培在電學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，電流的單位便以他的姓氏命名。雖然我們平時聽到更多的是電壓的單位伏特或者電阻的單位歐姆，但是它們都不是基本的物理量，它們的定義都是基于電流而得出的。

1820年，安培提出了著名的安培定律。1908年，國際電學(xué)大會決定把1秒時間間隔內(nèi)從硝酸銀溶液中能電解出1.1180002毫克銀的恒定電流確定為1安培，又稱國際安培。

1946年，國際計(jì)量大會把安培定義為：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的平行而無限長的圓直導(dǎo)線內(nèi)，通以等量恒定電流，導(dǎo)線間相互作用力在1米長度上為2×^10-7牛時，則每根導(dǎo)線中的電流為1安培，又稱絕對安培。1948年，第九屆國際計(jì)量大會批準(zhǔn)了該定義并一直沿用至今。

該定義采用的是宏觀測量的方法，諸如“兩根無限長、截面積可忽略的導(dǎo)線，在真空中相距1米平行放置”等條件，在實(shí)驗(yàn)室是無法重現(xiàn)的，因此會限制其測量精度。

物理學(xué)家希望能通過一次產(chǎn)生一個電子的極為精確的電流源來重新定義安培，然而要檢測到如此微小的電流無疑是十分困難的。芬蘭與美國的一個研究小組已解決了這一難題，用于測量單個電子電量的單電子泵可以用來定義安培。在實(shí)驗(yàn)時，可在導(dǎo)電島和隧道結(jié)間加上固定電壓，在柵極加上振蕩電壓。借助柵極電壓的振幅及平均值可精確測定每一振蕩周期內(nèi)穿隧通過的電子數(shù)。將測定的電子數(shù)乘以柵極電壓的頻率及電子電荷量（物理常數(shù)），就可以求得通過器件的電流了。并且，由于振蕩電壓的幅值及頻率可精確測量，電子電荷量則是固定值，所以就能精確算出通過的電流了。

摩爾：將與“硅球”掛鉤

摩爾作為國際單位制物質(zhì)的量的基本單位，在化學(xué)上的應(yīng)用是十分廣泛的。摩爾的拉丁文意為“大量、堆積”，并不是科學(xué)家的名字。20世紀(jì)初，摩爾被定義為以克為單位的物質(zhì)質(zhì)量與分子量的比值。由于分子量的定義涉及到了碳-12，所以后來把摩爾的定義修改為直接基于碳-12，而不再引入分子量的概念。

1971年，第14屆國際計(jì)量大會決定在國際單位制（SI）中增加物質(zhì)的量的基本單位摩爾，并定義1摩爾是所含基本微粒個數(shù)與0.012千克碳-12的原子數(shù)目相等的系統(tǒng)中的物質(zhì)的量。

每摩爾物質(zhì)含有阿伏加德羅常數(shù)個微粒。在用摩爾計(jì)量物質(zhì)的量時，我們只需關(guān)注物質(zhì)的微觀顆粒個數(shù)，而不需考慮微觀顆粒的具體組成和性質(zhì)。也就是說，摩爾可以是原子、分子、離子、電子及其他粒子，或是這些粒子的特定組合。

摩爾可應(yīng)用于計(jì)算微粒的數(shù)量、物質(zhì)的質(zhì)量、氣體的體積、溶液的濃度以及反應(yīng)過程的熱量變化等。

2018年的摩爾新定義將切斷摩爾與千克的聯(lián)系，而用阿伏加德羅常數(shù)來重新定義摩爾。這就要求實(shí)驗(yàn)測量的阿伏加德羅常數(shù)必須達(dá)到相對高的精確度，我國科學(xué)家在這方面進(jìn)行了卓有成效的工作。中國計(jì)量科學(xué)研究院通過兩種獨(dú)立的方法，準(zhǔn)確測量了X射線晶體密度摩爾質(zhì)量方法（硅球法）中濃縮硅-28的摩爾質(zhì)量，為基于阿伏加德羅常數(shù)的摩爾重新定義奠定了基礎(chǔ)。兩種方法在美、英、德、加、中、日、韓7個國家的8個實(shí)驗(yàn)室參與的國際比對中均獲得最佳比對結(jié)果，濃縮硅摩爾質(zhì)量測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到2×^10–9。