馬愛文， 曲興華

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.中國計量測試學會，北京 100029)

1 引 言

國際單位制(International System of Unites，SI)是全球統(tǒng)一的計量單位制，是構(gòu)成國際計量體系的基石，于1960年第11屆國際計量大會(General Conference on Weights and Measures,CGPM)通過建立[1]。國際單位制包括基本單位、導出單位和輔助單位。目前，SI中定義了7個基本單位：米、千克、秒、安培、開爾文、坎德拉和摩爾?；締挝坏亩x要求長期穩(wěn)定、易實現(xiàn)、易復現(xiàn)、易傳遞、易統(tǒng)一。早在1870年蘇格蘭數(shù)學物理學家Maxwell J C 就曾提出：如果我們想獲得絕對恒定的長度、時間和質(zhì)量標準的話，我們不能在行星的尺寸或運動或質(zhì)量中尋找，而應利用這些永久的、不可改變和驚人相似的分子波長、振動周期和絕對質(zhì)量。

SI基本單位的定義經(jīng)過多次演變，尤其是隨著近50年來原子物理和量子計量的革命，基本單位的定義實現(xiàn)了由早期的實物基準、自然基準向基本物理常數(shù)定義的過渡。2018年12月16日，第26屆國際計量大會(CGPM 2018)表決通過了SI的修訂“1號決議”[2,3]，決定自2019年5月20日起實行新的國際單位制。這是國際單位制自1960年正式公布以來最重大的變革之一，至此，SI基本單位全部實現(xiàn)了量子化定義。新SI更具有穩(wěn)定性和普適性，與實物基準相比，量子計量基準的準確度可以大幅度提高，新定義將對科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

2 SI基本單位重新定義的主要內(nèi)容

新定義的SI基本單位中，千克、安培、開爾文和摩爾，分別由物理常數(shù)普朗克常數(shù)h、基本電荷e、玻耳茲曼常數(shù)kB和阿伏加德羅常數(shù)NA定義；米、秒和坎德拉的定義仍由真空光速c、銫-133原子基態(tài)的超精細能級躍遷頻率ΔνCs和發(fā)光效率Kcd定義。表1給出了SI中7個基本單位重新定義的中、英文表述，表2給出了定義SI基本單位的7個定義常數(shù)及數(shù)值，式(1)～式(7)給出了7個基本單位的計算公式[2～3]。

表1 SI中7個基本單位的重新定義Tab.1 The new definitions of senven base units of the SI

表2 SI基本單位的7個定義常數(shù)其及數(shù)值Tab.2 The seven defining constants of the SI and their numerical value

表2中，定義常數(shù)的相關(guān)單位與基本單位的關(guān)系為：Hz=s-1,J=kg·m2·s-2,C=A·s,lm=cd·m2·m-2=cd·sr,W=kg·m2·s-3。

由銫-133原子超精細能級躍遷頻率ΔνCs=9 192 631 770 Hz，得：

(1)

1秒等于銫-133原子兩個不受干擾的超精細能級躍遷對應的9 192 631 770個輻射周期持續(xù)的時間。

由真空光速c=299 792 458 m/s，得：

(2)

1米是光在真空中在持續(xù)時間為1/299 792 458 s的時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度。

由普朗克常數(shù)h=6.626 070 15×10-34kg·m2·s-1，得：

(3)

1千克等于1.475 521 4×1040個具有銫-133原子共振頻率的光子所具有的能量。

基于基本電荷e=1.602 176 634×10-19A·s，得：

≈6.789 687×108ΔνCse

(4)

1安培是對應于每秒1/(1.602 176 634×10-19)個基本電荷流動所構(gòu)成的電流。

基于玻耳茲曼常數(shù)kB=1.380 649×10-23kg·m2·s-2·K-1，得：

(5)

1開爾文等于熱能kBT變化1.380 649×10-23J時對應的熱力學溫度變化。

由阿伏加德羅常數(shù)NA=6.022 140 76×1023mol-1，得：

(6)

1摩爾是精確包含6.022 140 76×1023個原子或分子等基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量。

由發(fā)光效率Kcd=683 cd·sr·kg-1·m-2·s3，得：

≈2 614 830×1010(ΔνCs)2hKcd

(7)

1坎德拉是在給定方向上發(fā)射頻率為540×1012Hz的單色輻射，并且在該方向上具有(1/683)W/sr的輻射強度的光源的發(fā)光強度。

由式(1)～式(7)可以看出：時間頻率的單位秒的定義為其本身，不依賴于其它單位；其它單位中，米、安培、千克、開爾文和坎德拉的構(gòu)成均依賴于秒，文獻[4]中論述了新SI的“秒制”特征，指出秒是構(gòu)建新SI的基礎(chǔ)；新定義后，摩爾與其它6個基本單位不再有關(guān)系，僅由阿伏加德羅常數(shù)NA來定義，但受限于目前的技術(shù)水平，當前直接測量仍然需要以物質(zhì)的質(zhì)量進行溯源[5]。

3 SI基本單位重新定義的意義

本次SI單位制變革中，千克的重新定義意義重大，始于1889年第1屆國際計量大會上定義的千克實物基準——國際千克原器(International Prototype of Kologram,IPK)正式退役，自此SI定義與基于實物基準的最后關(guān)聯(lián)消除，標志著SI全面進入量子化時代。

基于普朗克常數(shù)定義千克，其意義有：1) 任何有能力的國家計量院可以在自己的實驗室實現(xiàn)質(zhì)量單位，而不再是只能溯源至國際計量局(BIPM)；2) 理論上允許直接實現(xiàn)任何量級的質(zhì)量量值，擺脫了只能通過IPK的溯源，縮短了特大和特小質(zhì)量標準的校準鏈，減少了相對不確定度，滿足未來對質(zhì)量測量精度越來越高的需求，保證質(zhì)量單位的穩(wěn)定性不受時間和空間的影響[5]。

溫度單位開爾文的重新定義，首次實現(xiàn)了溫度單位的定義與測量成為一個合一的過程，基于對系統(tǒng)熱力學溫度的直接測量，反映了溫度的物理本質(zhì)，而不是依靠實物的自然屬性與溫度的關(guān)系；基于玻耳茲曼常數(shù)來定義熱力學溫度單位，在全時空恒定一致，測量不受溫區(qū)的限制。這對于極高和極低的溫度量值以及極端環(huán)境的溫度準確可靠地測量具有重要的意義[7～10]。

安培的新定義為每秒1/(1.602 176 634×10-19)個基本電荷流動所構(gòu)成的電流[3]。安培依賴與基本電荷e和時間頻率ΔνCs，由通過的電子數(shù)來計量，實現(xiàn)了電流單位量子化，擺脫了“無限長導線”這一無法實現(xiàn)的定義。

摩爾的新定義不再通過質(zhì)量單位千克實現(xiàn)，而是直接基于阿伏加德羅常數(shù)NA來定義，真正實現(xiàn)了將基本單位定義到物理基本常數(shù)上。新定義的最大意義在于：無論是在地球的任何角落還是在地球外的某個星球上，某個特定物質(zhì)所獲得的物質(zhì)的量將完全一致[5]。

4 我國取得的成果

我國一直重視計量前沿基礎(chǔ)研究，積極參與國際單位制重新定義及計量量子化的變革，涉及普朗克常數(shù)h、玻耳茲曼常數(shù)kB和阿伏加德羅常數(shù)NA的精密測定研究[11～16]，成果顯著，為基本常數(shù)的定值做出了實質(zhì)性貢獻，部分結(jié)果已被國際基本常數(shù)委員會(CODATA)收錄[17～22]。

我國的秒長國家計量基準——NIM5銫原子噴泉鐘直接復現(xiàn)秒定義，通過一系列技術(shù)創(chuàng)新，目前B類不確定度達到0.9×10-15，相當于3500萬年不差1s，授權(quán)參與駕馭國際原子時(TAI)[23～26]。中國計量科學研究院采用獨創(chuàng)的定程圓柱聲學原級測溫和量子噪聲原級測溫兩種獨立的方法，分別獲得了不確定度2.0×10-6和2.7×10-6的玻耳茲曼常數(shù)測量結(jié)果[21]，實現(xiàn)了玻耳茲曼常數(shù)測量相應方法全球最佳測量結(jié)果，同時也是全球中唯一采用兩種獨立方法滿足開爾文重新定義的成果。2006年張鐘華院士及其研究團隊提出了一種基于電磁能量與機械勢能平衡的 “能量天平”方案[27,28]，2017年，在文獻[29]上發(fā)表了普朗克常數(shù)的測量結(jié)果，相對標準不確定度為2.4×10-7；通過對系統(tǒng)主要不確定度來源深入研究[30,31]，提出相應的解決方案，截止到2019年9月，能量天平測量數(shù)據(jù)的A類不確定度達到了3×10-8(k=1)。目前在國際上的電天平方案測量結(jié)果中，僅有加拿大、美國、法國這3個國家的功率天平方案實現(xiàn)了該不確定度量級的測量。2016年德國PTB組織的濃縮硅-28摩爾質(zhì)量國際比對(CCQM-P160)，我國是唯一采用高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜(HR-ICP-MS)[32]和多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)兩種不同方法，濃縮硅摩爾質(zhì)量測量結(jié)果的相對標準不確定度為2×10-9，是8個參比國家計量院中比對成績最佳的結(jié)果。

5 結(jié) 語

SI的量子時代已開啟，未來世界的測量會更精準。新單位制的穩(wěn)定性和普適性，在任何時間、任何地點、在任何所需量級復現(xiàn)單位量值將是未來的一個長期的任務，在這一進程中，同時必將會推進精密測量技術(shù)和溯源技術(shù)的提高，從而帶來計量學科的發(fā)展。