即將到來的2018年11月是國際單位制重新定義的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這是自米制公約誕生之后計(jì)量世界中一個(gè)最重大的、革命性的事件，測量科學(xué)由此邁出關(guān)鍵的一步，量值統(tǒng)一的途徑進(jìn)一步拓展和高效。

一、 米制公約的誕生和意義

1.背景

18世紀(jì)后半期，科學(xué)的發(fā)展使得測量的范圍擴(kuò)展到所有的力學(xué)量、熱工量、電磁學(xué)和光學(xué)量，各種物理量都選擇合適的單位，建立起數(shù)學(xué)關(guān)系加以定義。19世紀(jì)后半期，米制已被歐洲、美洲的許多國家接受，把各種單位構(gòu)成邏輯關(guān)系形成一種單位制成為迫切要求[1]。

1875年5月20日 由阿根廷、奧地利-匈牙利、比利時(shí)、巴西、丹麥、法國、德國、意大利、秘魯、葡萄牙、俄羅斯、西班牙、瑞典和挪威、瑞士、土耳其、美國、委內(nèi)瑞拉共17個(gè)國家簽署了米制公約。米制公約創(chuàng)立了國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）領(lǐng)導(dǎo)的，由國際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）監(jiān)管的國際計(jì)量局（BIPM）這個(gè)政府間組織。截至2018年3月份，米制公約有正式成員國59個(gè)，準(zhǔn)成員國或經(jīng)濟(jì)體42個(gè)[2]。

國際計(jì)量局（BIPM）的工作聚焦在世界計(jì)量事務(wù)，特別是關(guān)注世界范圍對持續(xù)提升的測量精度、日益擴(kuò)展的范圍和領(lǐng)域的測量標(biāo)準(zhǔn)的需求。國際計(jì)量局領(lǐng)導(dǎo)了國際單位制的建立。 

2.意義

米制公約的簽署宣布了一個(gè)時(shí)代的結(jié)束，由皇權(quán)和王權(quán)決定測量單位定義造成測量單位混亂的時(shí)代一去不復(fù)返了；米制公約的簽署開啟了計(jì)量新時(shí)代，它通過普適的符合科學(xué)原理的定義建立被世界認(rèn)可的統(tǒng)一的國際單位制，通過創(chuàng)立的CGPM,CIPM和BIPM實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一世界測量標(biāo)準(zhǔn)的目的。隨著新時(shí)代的到來，各國紛紛建立了國家計(jì)量院，各國對計(jì)量研究的大量投入進(jìn)一步促進(jìn)了計(jì)量學(xué)的發(fā)展。簡言之，米制公約打破了皇權(quán)和王權(quán)對單位定義的壟斷，在科學(xué)原理的基礎(chǔ)上確立了BIPM和各國國家計(jì)量院在單位量值建立上的權(quán)威。 

　　二、 國際單位制的作用和不足

1、國際單位制的作用

法國大革命期間建立的十進(jìn)位米制(the decimal metric system)以米和千克為基礎(chǔ)。根據(jù)1875年?米制公約?的規(guī)定，制造了新的米原器和千克原器，并為1889年第一屆國際計(jì)量大會(huì)(CGPM)所正式接受。

國際單位制（法語：Système International d'Unités 符號：SI），源自公制或米制，舊稱“萬國公制”，是現(xiàn)時(shí)世界上最普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)度量衡單位系統(tǒng)，采用十進(jìn)制進(jìn)位系統(tǒng)。國際單位制（SI）是國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）采納和推薦的一種一貫單位制。

1948年第9屆國際計(jì)量大會(huì)根據(jù)決議，責(zé)成國際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）“研究并制定一整套計(jì)量單位規(guī)則”，力圖建立一種科學(xué)實(shí)用的計(jì)量單位制。1954年第10屆國際計(jì)量大會(huì)決議，決定采用長度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度和發(fā)光強(qiáng)度6個(gè)量作為實(shí)用計(jì)量單位制的基本量。1960年第11屆國際計(jì)量大會(huì)按決議，把這種實(shí)用計(jì)量單位制定名為國際單位制，以SI作為國際單位制通用的縮寫符號；制定用于構(gòu)成倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位的詞頭（稱為SI詞頭）、SI導(dǎo)出單位和SI輔助單位的規(guī)則以及其他規(guī)定，形成一整套計(jì)量單位規(guī)則。1971年第14屆國際計(jì)量大會(huì)決議，決定在前面6個(gè)量的基礎(chǔ)上，增加“物質(zhì)的量”作為國際單位制的第7個(gè)基本量，并通過了以它們的相應(yīng)單位作為國際單位制的基本單位。

SI不是固定不變的，而是為適應(yīng)世界上不斷增加的測量需要而發(fā)展的，這些測量包括與科學(xué)、技術(shù)和人類活動(dòng)相關(guān)的所有領(lǐng)域和所有準(zhǔn)確度水平。目前七個(gè)基本單位的定義[3][4]如下：

隨著國際單位制的建立，各國國家計(jì)量院分別依據(jù)定義復(fù)現(xiàn)本國的單位基準(zhǔn)量值，在國際間開展國際比對確保基準(zhǔn)量值的等效，在各自國內(nèi)依靠本國的計(jì)量體系開展量值傳遞，保障國內(nèi)量值統(tǒng)一。國際單位制的應(yīng)用大大地促進(jìn)了科學(xué)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。1999年由各國家計(jì)量院院長簽署的“國家計(jì)量院間國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)證書互認(rèn)協(xié)議（CIPM MRA） ”， 實(shí)現(xiàn)了一次校準(zhǔn)全球有效的目標(biāo)，從國家技術(shù)基礎(chǔ)層面支撐了經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展。

2、不足

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國際單位制凸現(xiàn)了由于定義帶來的缺陷[5]。千克被定義為國際千克原器（高和底面直徑均為39毫米的正圓柱體）的質(zhì)量。實(shí)際上，根據(jù)國際計(jì)量局的官方數(shù)據(jù)，在1889-1989年的100年間其他千克原器與國際千克原器比較，在質(zhì)量一致性上發(fā)生了約0.05毫克的變化。

開爾文被定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的273.16分之一，但是水三相點(diǎn)關(guān)鍵比對結(jié)果顯示，水中氫氧同位素豐度隨水源、蒸餾工藝過程不同會(huì)有明顯差異一，因而造成水三相點(diǎn)的不同；三相點(diǎn)容器長期存放，器壁鈉元素會(huì)污染純水，這些因素都致使實(shí)際復(fù)現(xiàn)的水三相點(diǎn)有可能偏離開爾文定義值。

秒在1967年之前被定義為平太陽日的1/86400的時(shí)間長度。基于地球自轉(zhuǎn)的平太陽日由天文觀測決定,但是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期不是恒定不變的，而是時(shí)快時(shí)慢。如果地球轉(zhuǎn)速不同，“一天”的長度就不同，“一秒”的長度也不同。

三、 單位制重新定義

　　1、 重新定義的過程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是量子物理理論的發(fā)展，基本單位的定義被逐個(gè)量子化。1960年，第十一屆國際計(jì)量大會(huì)上正式批準(zhǔn)廢除鉑銥米原器，將米定義改為：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能級間的躍遷所對應(yīng)的輻射在真空中波長的1 650 763.73個(gè)波長的長度”。

1967年，第十三屆國際計(jì)量大會(huì)通過了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。

1983年第十七屆國際計(jì)量大會(huì)又對米進(jìn)行了進(jìn)一步的定義：“米等于光在真空中299792 458 分之一秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度”。該定義隱含了光速值c=299 792 458m/s，這是一個(gè)沒有誤差的定義值。

可以說單位定義的常數(shù)化從上世紀(jì)60年代拉開了序曲。米和秒這兩個(gè)單位的量子化定義極大的提升了測量的精度和范圍，米定義使測量精度提高了近10000倍，由此極大推動(dòng)了精密制造技術(shù)的提升和數(shù)字化控制技術(shù)的大范圍應(yīng)用;秒定義使測量精度提高了1000萬倍以上，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。

時(shí)間和長度單位計(jì)量量子化的成功，不斷催生其它計(jì)量單位的重新定義。國際計(jì)量委員會(huì)于2005年提議，將其余幾個(gè)基本單位全部定義在基本物理常數(shù)上，從而改變基本單位自有定義以來，依賴于實(shí)物的歷史。第24屆國際計(jì)量大會(huì)正式批準(zhǔn)七個(gè)基本單位定義在基本常數(shù)上的建議。目前全面實(shí)現(xiàn)國際計(jì)量單位量子化定義的條件已經(jīng)基本具備，第26屆國際計(jì)量大會(huì)將于2018年11月對新的國際計(jì)量單位定義進(jìn)行表決。表決通過后，2019年5月20日“世界計(jì)量日”起將正式實(shí)施全面重新定義的國際計(jì)量單位制。

　　2、 重新定義的內(nèi)容

此次重新定義的基本單位為四個(gè)：千克、開爾文、安培和摩爾千克將定義為“對應(yīng)普朗克常數(shù)為6.626070147×10-34 J s時(shí)的質(zhì)量單位”；開爾文將定義為“單位系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能發(fā)生1.3806497×10–23焦耳變化的熱力學(xué)溫度的改變”；安培將定義為“單位時(shí)間內(nèi)通過1/1.6021766338×10–19個(gè)電子對應(yīng)的電流”；摩爾將定義為“精確包含6.022140761×1023個(gè)原子或分子等基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量”。

重新定義之后，國際單位制的7個(gè)基本量中的6個(gè)實(shí)現(xiàn)了以定義常數(shù)和物理常數(shù)定義，量值的實(shí)現(xiàn)進(jìn)入了基于量子物理的量子化時(shí)代。

四、 單位制重新定義的特點(diǎn)和影響

1、特點(diǎn)

國際單位制重新定義的特點(diǎn)是“計(jì)量單位量子化”和“量值傳遞扁平化”，給建立在傳統(tǒng)量值傳遞體系上的國際計(jì)量院和各級計(jì)量機(jī)構(gòu)帶來了沖擊和機(jī)遇。

以量子技術(shù)和基本物理常數(shù)為基礎(chǔ)，對國際計(jì)量單位制重新定義，通過全面采用量子計(jì)量基準(zhǔn)，將大幅提高測量精度和穩(wěn)定性。重新定義開啟了任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)、任意主體根據(jù)定義實(shí)現(xiàn)單位量值的大門。因此可以說重新定義開啟了一個(gè)突破權(quán)威的時(shí)代。

重新定義使得計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)與信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量值傳遞的鏈路不唯一和扁平化，使量值溯源鏈條更短、速度更快、測量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)，將徹底改變過去依靠實(shí)物基準(zhǔn)逐級傳遞的計(jì)量模式，解決了費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、誤差放大等問題。

重新定義后，量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)可以直接應(yīng)用到各種科技和生產(chǎn)活動(dòng)現(xiàn)場，進(jìn)行最佳測量和原地實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，大大節(jié)約生產(chǎn)成本，顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量，由此可能觸發(fā)重大科技創(chuàng)新和顛覆性技術(shù)的誕生。

2、影響

國際單位制重新定義在測量準(zhǔn)確度、測量范圍等方面取得技術(shù)上的突破進(jìn)展，而且將使全球測量體系發(fā)生重構(gòu)，形成多級溯源中心和扁平化溯源甚至零鏈條的溯源體系，更將對管理體系、國家治理體系、對人的傳統(tǒng)觀念帶來重大影響和挑戰(zhàn)。

一是將改變國際計(jì)量體系和現(xiàn)有格局[6]。新的計(jì)量體系不再依賴于通過實(shí)物基準(zhǔn)向各國傳遞量值，打破了由國際計(jì)量局作為全球測量體系量值傳遞源頭的單極中心局面，將形成一部分先進(jìn)國家為主體的多級全球中心或區(qū)域中心。如能搶占技術(shù)制高點(diǎn)，主動(dòng)布局，就可以在這一輪激烈競爭中脫穎而出，形成區(qū)域乃至全球計(jì)量體系的重要一極。反之，就要依賴于他國，進(jìn)而喪失發(fā)展主導(dǎo)權(quán)和控制權(quán)。

二是將顯著提升國家計(jì)量管理效能。新的國際計(jì)量單位制使得單位量值可隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)，將最準(zhǔn)“標(biāo)尺”直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活，大幅縮短量值傳遞鏈。這將推動(dòng)傳統(tǒng)的以行政層級和行政區(qū)劃為特征、以實(shí)物計(jì)量器具為主體的計(jì)量管理模式的改革創(chuàng)新，釋放計(jì)量量子化變革效能。無時(shí)無處不在的最佳測量，直接有助于人們的公平交易、放心消費(fèi)、安全醫(yī)療等，也有利于大幅提升質(zhì)量水平，促進(jìn)誠信建設(shè)，降低社會(huì)成本，有力保障和改善民生。

三是將有力支撐新一輪工業(yè)革命。國際單位制重新定義這一變革深度契合了以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)、智能制造為主要特征的新一輪工業(yè)革命。通過嵌入芯片級量子計(jì)量基準(zhǔn)，把最高測量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品制造過程的準(zhǔn)確感知和最佳控制。測量水平的大幅提升，將為突破大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及高檔數(shù)控機(jī)床、核電裝備等重大裝備的共性關(guān)鍵技術(shù)與工程化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸提供支撐和保障。

參考文獻(xiàn)：

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2. The Metre Convention, https://www.bipm.org/en/worldwide-metrology/metre-convention/ [EB/OL],2018

3. 陸袓良等，國際單位制SI簡介[R],2006.

4. Bureau International des Poids et Mesures, The International System of Units (SI)[M], 8th edition，2006

5. 七個(gè)基本單位重新定義相關(guān)情況調(diào)研報(bào)告[R]，中國計(jì)量科學(xué)研究院內(nèi)部報(bào)告

6. 段宇寧，計(jì)量新趨勢[J], 《中國計(jì)量》 , 2013 (2) :5-7