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涨知识!什么是国际单位制?有哪些新定义?

浏览数:456???? 发表时间:2019-03-13

? ? ? ?什么是国际单位制(SI)

? ? ? 国际单位制SI是从“米制”发展起来的国际通用的测量语言,是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制规定了7个具有严格定义的基本单位,分别是时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。它们好比7块彼此独立又相互支撑的“基石”,构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其它单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特、能量单位焦耳等等,都可以由这7个基本单位组合导出。

? ? ??国际单位制(SI)的起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。签署公约的初衷是为了支撑国际贸易、商业以及科学交流,过去是,现在是,将来也不会改变。

? ? ?“米制”在创立时的愿景即是“为全人类所用,在任何时代适用”。其初衷是用一种全球一致的“自然常数”而非某种主观的标准来定义单位,从而保障单位的长期稳定性。1米最早被定义为通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一。而面积、体积和质量等贸易、商业以及税收等领域所需的其它单位,则通过“米”来定义。经过数十年的发展,到1960年,第11届CGPM将包含六个基本单位的单位制命名为国际单位制(SI),即:米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。国际单位制(SI)相关单位被世界共同采纳。1967年,基于铯原子的特性,即基态超精细能级跃迁的频率重新定义了秒,实现了从“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年,第14届CGPM将摩尔(物质的量的基本单位)列为SI基本单位之一。1983年,米被定义为光在真空中于1/299 792 458秒内行进的距离,这是SI中的基本单位首次以基本常数——光速来定义。

? ? ? 经过全球各国国家计量院以及国际计量局多年的研究,证明基于基本常数来定义SI的基本单位具有足够的准确性。国际测量体系将有史以来第一次全部建立在不变的自然常数上,保证了SI的长期稳定性和环宇通用性。这项成就是所有国家计量院与国际计量局责任与担当的体现,正是他们在这些研究机构中开展的潜心研究以及在国际范围内开展的通力合作,造就了这样的成就。

? ? ? ?国际单位制(SI)新定义

? ? ??日前,第26届国际计量大会通过了关于修订国际单位制的决议。国际单位制7个基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义;另外3个基本单位在定义的表述上也做了相应调整,以与此次修订的4个基本单位相一致。

? ? ??自2019年5月20日起,国际单位的7个基本单位将全部由基本物理常数定义,这些常数如下:

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? ? ? 其中,单位赫兹、焦耳、库伦、流明、瓦特的符号为Hz、J、C、lm、W,它们分别与单位秒(s)、米(m)、千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)、坎德拉(cd)相关联,相互之间的关系为Hz = s-1,J = kg m2?s-2,C = A s, lm = cd m2m-2= cd sr,W = m2?kgs-3。

? ? ? 自2019年5月20日起,SI基本单位采用以下定义:

? ? ? ?改变了什么?

? ? ? ?从新定义的深层意义来看,国际单位制的变化是“巨大”的。

? ? ? ?1.定义的基础变了

? ? ? ?以千克的现行定义为例,1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器(IPK)的质量。据国际计量局数据显示,国际千克原器服役近130年来,它的质量与各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准的一致性出现了约50微克的偏差,但国际千克原器的质量是否发生了变化,具体变化了多少至今仍是一个谜。用基本物理常数h重新定义千克后,质量单位将更加稳定,我们不必担心国际千克原器质量漂移可能给全球质量量值统一带来的问题。

? ? ? 测量基础的长期稳定,对于人类面临的重大挑战,特别是环境与气候变化、地球运动监测等非常重要。我们必须有一个能在很长时间内保持稳定的参考标准,才能获得可靠的测量数据——而可靠的数据一直是科学研究和政府决策的根基。

? ? ? 2.定义的时空变了

? ? ? 物理定律是放之宇宙而皆准的,但测量却有不少的人为因素。最早的千克是用1个标准大气压下1立方分米纯水在4摄氏度时的质量定义的,这实际上受到了温度、气压、水和容器等环境因素和测量过程的限制。人们在19世纪末采用最先进的材料和工艺打造了国际千克原器,目的也是为了规避这些限制。但是,国际千克原器有且只有一个,无论它的质量是否发生漂移,各国计量院仍须以它为准,定期到位于法国的国际计量局校准自己的千克原器。新定义生效后,理论上任何地方的任何人,都可以根据定义复现1千克,而且,我们今天在北京复现的量值,和我们的子孙后代未来在火星上复现的量值将是一致的。

? ? ? 国际单位制的客观通用性不仅意味着国际测量界多年的夙愿正在逐渐成为现实,更意味着全球量值统一有了更广阔而便捷的途径:芯片级的传感器将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的溯源,物联网各个终端采集的数据由此可以实现可比——无时无处不在的最佳测量,将推动计量管理模式的改革创新,释放计量量子化变革效能,有助于提高智能制造、物联网等新技术产业的质量水平,有利于实现公平贸易、安全医疗等,从而促进诚信建设,降低社会成本,保障和改善民生。

? ? ? 3.定义的范围变了

? ? ??修订前的开尔文定义仅仅建立在水三相点一个固定点上,要测量比它更高或更低的温度,我们需要根据其他的固定点来延伸温标。而未来我们仅通过玻尔兹曼常数,就可以根据热力学温度与能量的关系,在整个温标范围实现同样准确的温度测量。千克也是这样。以前最准确的千克只有1千克一种,要对一个大于1千克的物体称重,我们需要将1千克进行重复累加;要对一个小于1千克的物体进行称重,则需要将1千克进行分割。累加和分割的过程都会给量值的准确性带来损失。新的定义则不受此限制。

? ? ? 国际单位制的全范围准确性,为科学发现和技术创新提供了新的机遇。得益于更高的测量准确度,我们将可以测量极高、极低温度的微小变化,从而更加准确地监测核反应堆内、航天器表面的温度变化;在生物医药领域,我们可以准确测量单个细胞内某种物质的含量,并根据病人的实际需要,制定更加精确的药物剂量。

? ? ? 4.定义的方法变了

? ? ? 在新的国际单位制中,测量的两个重要概念,即单位定义和测量(或复现)方法是分离的。在旧定义中,单位的定义和实现方法是完全绑定的,例如,要复现1/273.16K,就必须在水三相共存的条件下;要复现1千克,就必须与位于法国的国际千克原器相联系。新定义生效后,千克可以通过任何适当的方法复现,比如基布尔天平法和X射线晶体密度法——这两种方法是目前世界上测量准确度最高的复现方法,但即使未来有更好的实验方案出现,单位的定义也不会因此受到影响。而复现开尔文,现在已经有多达5种方法,你擅长哪种就可以用哪种。

? ? ? 更好的测量原理、测量方法和实验仪器意味着人们可以在国际单位制框架下实现更佳的测量——这将引发仪器仪表产业的颠覆性创新。集多参量、高准确度传感器为一体的综合测量,不受环境干扰无需送检的实时测量,众多物理量、化学量和生物量的极限测量等也成为了可能。

? ? ? 什么不变?

? ? ? 对大多数人来说,国际单位制是“不变”的。除电学单位外,新定义下各个单位大小和旧定义几乎完全一致。事实上,电学单位的改变也微乎其微,电压单位的变化约为正千万分之一,电阻单位的变化则更小。但这只会影响对测量不确定度要求最高的顶尖计量机构和校准实验室,对于普通用户、产业界人士和多数科研人员来说,新定义不会对他们造成影响,他们的测量结果仍将是连续的。这看上去似乎理所当然,但实际上却是全球测量科学家数十年潜心研究和通力合作的结果——所有用于基本单位重新定义的“常数”都经过了精确测量与严格验证,从而保障了新单位的大小“不变”。

? ? ? 变革带来的影响

? ? ? 这次以物理常数为基础,对国际计量单位制重新定义,意味着所有SI单位将由描述客观世界的常数定义。重新定义开启了任意时刻、任意地点、任意主体根据定义实现单位量值的大门,将对经济、科技与民生等都将产生深刻影响。

? ? ? 1.将改变国际计量体系和现有格局

? ? ?重新定义使得计量基标准与信息技术相结合,实现量值传递的链路不唯一和扁平化,使量值溯源链条更短、速度更快、测量结果更准更稳,将彻底改变过去依靠实物基准逐级传递的计量模式,解决了费时费力、效率低下、误差放大等问题。

? ? ? ?2.将显着提升国家计量管理效能。

? ? ?新的国际计量单位制和量子测量技术的发展,将使得计量基准可随时随地复现,将最准“标尺”直接应用于生产生活,大幅缩短量值传递链。

? ? ? 3.将有力支撑新一轮工业革命。

? ? ?通过量子计量基准与信息技术的结合,使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳,深度契合了以信息物理系统为基础、智能制造为主要特征的新一轮工业革命。通过嵌入芯片级量子计量基准,把最高测量精度直接赋予制造设备并保持长期稳定,可以实现对产品制造过程的准确感知和最佳控制。

? ? ? 4.将引发仪器仪表产业颠覆性创新发展。

? ? ?国际计量单位制实现量子化,新的测量原理、测量方法和测量仪器孕育而生,集多参量、高精度为一体的芯片级综合测量,不受环境干扰无需校准的实时测量,众多物理量、化学量和生物量的极限测量等均成为可能,进而催生测量仪器仪表形态的全面创新。

? ? ??总之,国际单位制的变革是科技进步的缩影,科技创新和质量发展的基础将由此变得更加牢固。人类的测量体系将第一次冲破地球的束缚,迈向遥远的宇宙和无尽的未来,并将不断前行。











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