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关于SI的常见科普问题解答
 

1116日,第26届国际计量大会(CGPM)经各个成员国表决,最终通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。根据决议,SI基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛加德罗常数NA定义。
       
国际计量局梳理了关于SI的常见问题,以下是其官方解答。
为什么测量很重要?
测量影响我们日常生活的方方面面……

·         我们所接受的医疗服务,离不开精密的测量——比如血液中化学成分的浓度,或X光的强度;

·         我们所使用的卫星导航系统,离不开时间测量,这是由卫星上超精密时钟完成的;

·         我们所购买的尺寸完全匹配的零件:与螺栓匹配的螺母,一块块刚好连接在一起的乐高积木……

       在上述这些场景中,甚至其他成千上万个场景中,全球统一的测量体系给我们生活带来了极大的便利。测量是将被测量与标准量进行量化比对的过程。测量结果由数值和一个或多个测量单位组成,比如:
一辆车正以10.4米每秒(m/s)的速度行驶。当一个测量数值与一个或多个单位同时使用时,我们就可以知道这是哪个方面的(如质量、长度或时间)测量以及测量数值的大小。
什么是SI
       
国际单位制(SI)是全球一致认可的测量体系。SI7个基本单位以及许多导出单位组成。SI单位可以表示任何领域的测量结果,如物体的物理尺寸、温度和时间等。
无论是米还是秒,国际单位制必须确保所有日常使用的测量单位,在全球范围内都是可比的、一致的。时间的测量相差零点几秒钟,也许不会影响意大利面的烹调口感,但对于谁赢了奥运会的百米短跑项目或高频的股票市场交易却是非常重要的。
建立测量标准,不仅使测量结果具有一致性和准确性,还可以帮助社会建立信任。举例来说,我们每天都在使用“千克”。对“千克”定义后,我们就能知道商店所售食品的重量是多少,从而相信商店没有缺斤短量。再如,服药剂量的多少,特别是测量值非常小的情况下,都离不开测量的一致性。
SI
的发展历程是怎样的?
       SI
的前身——十进制米制,于1799722创立。当时“米”和“千克”的两台铂金标准器保存在巴黎的法国国家档案馆。
       1869
年,拿破仑三世批准成立了国际科学委员会,负责宣传新的米制测量体系以促进贸易。同年1116日,法国政府邀请世界各国加入国际米制委员会,约有30个国家加入,并于1870年召开首次会议。正是这个组织后来推动了17个国家于1875520在法国签署《米制公约》。尽管该公约以“米制”命名,但它实际上约定了三个单位:基于实物标准器定义的米和千克,以及基于天文时定义的秒。
       1889
年,国际米原器、国际千克原器和天文秒作为米、千克、秒三个基本单位的定义基础,组成了最早的国际测量体系。1926年,该体系又引入了安培,包含4个基本单位,分别为米、千克、秒和安培。
       1960
年,该体系正式被命名为国际单位制,缩写为SI
为什么说SI很重要?
       SI
是全球测量结果一致、可靠的基础,为贸易、制造业、创新和科学发现提供计量支撑。SI为创新提供了新的机遇。得益于更高的测量精度,我们才能开发更先进的科技方法,获得更深刻的科学知识,对社会发展产生了积极作用,例如:
       
·      准确测量温度:我们能够更加准确地测量长时间范围内微小的温度变化,这样就能更精确地监测和预测气候变化。
       
·      更加准确地测量药物剂量:制药行业需要小剂量的测量标准,为病人提供更合适的药物剂量。
       SI
支撑未来创新。随着测量能力的提升,测量标准也应随之提高。例如,全球卫星导航系统(GPS)的准确性与我们使用秒来测量时间的能力有关。基于秒的定义和原子钟对秒的复现,我们才能够测量时间,使用GPS进行有效定位。精确导航之所以能够实现,正是因为我们有了更准确的秒定义,尽管在修订秒定义的时候,我们还不知道它将可以用在哪里。原子钟的出现早于计算机技术的腾飞。现在,准确的计时已成为工业领域的基础部分,如果没有准确计时,互联网、移动电话以及其它技术将无法可靠运转。
测量单位是如何定义的?
       
最早的时候,测量单位是基于实物或物质的特性来定义的。比如,“米”最早就是用一根刚好1米长的金属棒定义的。但是,这些实物会随时间推移或环境改变而变化,不能满足当今科学研究与技术应用对测量准确度的需要。上世纪以来,科学家们测量了自然界的基本常数,如光速和普朗克常数,准确度越来越高。他们发现了这些常数比实物更加稳定,并将这些常数的数值固定下来。这些自然常数不会发生变化,至少比实物稳定一百万倍。测量界一直以来都在致力于建立一个不依赖于物理实物的完整测量体系。随着最后一个实物基准“千克原器”退出历史舞台,千克基于普朗克常数重新定义,测量界的夙愿即将实现——SI迎来了历史性时刻。
我们为什么需要更准确的定义?
       
随着科学的进步,我们需要,当然也可以实现,更准确的测量,而相应的标准装置和定义也应跟得上。1889年工业革命时期,千克的定义是由物理实物来确定的,是一个铂铱合金圆柱体。千克也是SI单位制中最后一个仍由实物来定义的基本单位,千克原器的稳定性一直颇受关注。近年来,用物理常数重新定义千克的呼声也越来越多。我们目前正处于量子或数字化革命的开端。用常数定义测量单位,意味着这些定义将适应下一代科学发现的需要。
SI
单位制的7个基本单位是什么?
       
·      千克(kg质量的基本单位

       ·      米(m长度的基本单位

       ·      秒(s时间的基本单位

       ·      安培(A电流的基本单位

       ·       开尔文(K热力学温度的基本单位

       ·      摩尔(mol物质的量的基本单位

       ·      坎德拉(cd发光强度的基本单位

       关于SI单位使用的更多信息:www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html
SI
重新定义指什么?
       
国际计量界期望在20181113-16日举行的国际计量大会上,就修订SI达成一致。
因此,SI定义将更加实用。所有的SI基本单位将通过可在自然界常数来定义(比如光速、普朗克常数和阿伏伽德罗常数)。用这些不变的常数作为测量的标准基础,意味着这些单位的定义在未来也是可靠的、不变的。
       
关于SI定义常数的更多信息:www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/
我们为什么需要这样的改变?
       
自启蒙时代起,测量界就致力于建立一个寰宇通用的测量体系。用实物作为SI基本单位定义的基础,一直是一个可行的方式,但也是测量界想要尽早摒弃的方式。因为实物很容易受到人为或环境因素的损坏,它们是不稳定的。SI的修订将第一次使所有的基本单位都建立在自然界的基本物理常数上。由这些自然常数组成的寰宇通用的测量基础,将使科学界、工业界和人类社会拥有一个更加可靠、一致、全范围(大至很大,小至很小)的测量体系。
       SI
将通过两种方式创造一个更加稳定的、经得住未来考验的测量体系:
       
·      公式中将不再出现物理实物:现行的千克定义,是以保存在BIPM的国际千克原器(IPK)为基础。此次SI修订后,将不再需要这一实物。
       
·      基本单位的定义将首次独立于它们的复现方式:以前当我们有了更好的复现单位的方法后,这些单位的定义将随之改变。而现在,单位的定义不会随复现方法的改变而变化,相反会一直保持恒定。以安培为例,其现行定义是“两条间隔一定距离的导线间的电磁作用力”,这是采用复现方式来定义的。但是,随着发现约瑟夫森效应和量子化霍尔效应后,安培可以通过更好的方式复现,旧的定义方式也就过时了。
SI
7个基本单位会变化吗?
       
不,七个基本单位(秒、米、千克、安培、开尔文、摩尔和坎德拉)以及它们所对应的基本常数(铯-133原子基态的超精细能级跃迁频率DνCs真空中光的速度c普朗克常数h基本电荷e玻尔兹曼常数k阿伏伽德罗常数NA)都将保持不变。
此次SI修订发生了什么变化呢?
       
千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)将重新定义。
       
新定义将影响4个基本单位:
       
千克    用普朗克常数(h)定义;
       
安培    用电子电荷(e)定义
       
开尔文  用玻尔兹曼常数(k)定义
       
摩尔    用阿伏伽德罗常数(NA)定义
       
用基本物理常数定义千克,将保持长期稳定与可靠。而现行千克定义稳定与否,则是存疑的。
SI
的其他三个单位呢?
       
秒(s)、米(m)和坎德拉(cd)的定义将保持不变,但是定义的表达方式会有一定改变,以与千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)的新定义的表达方式保持一致,有望在本次第26CGPM上通过这三个单位定义的新表达方式,并于2019520起生效
那么其它22个具有特殊名称和符号的导出单位呢
       
在修订后的SI中,它们将保持不变。
新定义将在什么时候生效?
       
如果相关决议被通过,新定义将从2019520世界计量日起生效
SI
修订对实际应用有什么影响吗?
       
从表面上看,看似没有太大变化。这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,房子更加耐用了。这些变化是 为了保证SI单位制将经受住时间的考验,不管未来技术如何发展,其定义将始终保持不变。
什么是世界计量日?它在哪一天?
       
世界计量日是在每年520日举行的活动,世界上80多个国家都在这一天庆祝测量为我们日常生活带来的影响。
全球计量界都一直致力于保障全球测量结果的准确性。在这一天,他们一道向公众宣传可靠的测量具有什么影响,发挥什么作用,旨在提升公众计量意识。2018年国际计量日的主题是“进无止境——国际单位制的量子化变革”。187552017个国家签署了世界上第一个关于测量的协定——《米制公约》,统一协调与测量相关的活动,标志着国际计量合作的正式开始。在《米制公约》的框架下,成立了CGPMCIPMBIPM
       
更多关于世界计量日的信息:www.worldmetrologyday.org/
由谁决定SI及其修订的相关事宜?
       1875
年《米制公约》的签署标志着国际计量局(BIPM)的成立。BIPM受国际计量委员会(CIPM)监管,CIPM本身则受国际计量大会(CGPM)监督。CGPM大会每36年召开一次。所有60个成员国代表齐聚一堂,听取CIPM提出的建议,共同讨论并决定是否对SI进行修订。CIPM18名来自不同国家的委员组成。每位委员都是相关计量领域的资深专家,由CGPM大会提名选出。从建立至今,CIPM一直负责有关SI的决议草案,致力于为当今和未来的测量建立可靠的基础。BIPM目前共有60个成员国,42个附属成员国和经济体。BIPM局祉位于法国塞夫勒,配有实验室,为各成员国提供计量服务。此外,BIPM还负责协调和联络各类计量活动。CIPM及其各个专业咨询委员会的秘书处也设在BIPMBIPM的初衷是建立并保存SI单位的基准原器,所以,目前国际千克原器正保存于此。
SI
修订的决议草案内容是什么?
       
决议全文详见:www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/Convocation-2018.pdf#page=30
       
简单地说,第26届国际计量大会(CGPM)将对2011年第24CGPM大会通过的决议草案1进行表决。该决议细致地阐述了定义SI基本单位的新方式,即基于常数来定义的方式。这些定义常数为基本物理常数或其它自然常数,SI7个基本单位均由它们导出。
新定义对复现千克有何影响?
       
千克将基于普朗克常数定义,以保证SI质量单位的长期稳定。新定义生效后,千克可以通过任何适当的方法复现,比如用基布尔天平(瓦特天平)法和阿伏伽德罗(X射线晶体密度)法复现。用户们可以从相关机构(如BIPM、国家计量院以及认可实验室)获得基准量值,直接溯源至到SI。通过国际比对,保证测量结果的一致性。
普朗克常数的数值确定后,质量的单位——千克在重新定义后也不会发生变化。各国家计量院向客户提供校准服务,其不确定度也不会受太大影响。
 
新定义对复现安培有何影响?
       
目前,在实际操作中,安培和其它电学单位的复现,已处于最高计量水平。当安培被重新定义之后,他们的复现要与新定义完全一致。从1990年电学单位的约定值转变到修订后的SI,这将给电学单位的量值传递带来一些小影响。对绝大多数的测量用户来说,由于伏特的量值仅变化大约千万分之一,欧姆的变化则更小,因此,他们并不需要做任何反应,。从事基准工作的人员或许只需要调整相关基标准的量值,复审各项不确定度。
新定义对于开尔文的复现有何影响?
       
开尔文的新定义将不会直接影响温度测量及其溯源。大多数用户都不会注意到新定义带来的影响。重新定义为未来技术进步打下了基础。该定义不再依赖于物质的特性、不再受技术限制,可采用新型的、更准确的技术,将温度测量溯源至SI,特别是针对一些极端温度的测量。
开尔文重新定义以后,通过热力学温度的主要测量方法,从而实现开尔文的复现,在全世界范围内进行量值传递。这将与国际温标ITS-90和临时低温温标PLTS-2000的量值传递形式并行。
新定义对摩尔的复现有何影响?
       
摩尔将基于一定数量的粒子来定义(通常是是原子或分子),将不再依赖于质量的单位——千克。通过以往的方法,可实现对摩尔的溯源。例如,质量测量与原子量表和摩尔质量常数Mu相结合的方法。
原子量不会受到摩尔重新定义的影响。尽管存在测量不确定度,Mu将仍为1 g/mol。由于该不确定度非常小,摩尔的新定义也不需要对常规做法进行任何改变。
复现秒、米和坎德拉会发生变化吗?
       
不会。秒将继续基于铯-133原子超精细能级跃迁频率来定义。秒的溯源链不会受到影响,时间频率计量也不会受到影响。米仍将使用基本物理常数——光速来定义。长度计量在操作上不需要做任何改变。整个测量体系经此次修订后,将保持长期稳定,有益于推动长度计量的发展。坎德拉仍将使用光度学的一个技术常数——Kcd来定义,并继续与瓦特相关联。依然通过辐射度测量法,即使用绝对校准探测器,向坎德拉溯源,其测量不确定度保持不变。
谁对决议草案进行投票?投票是怎样进行的?
       
投票将于20181116协调世界时13:00左右,在BIPM主席宣读提案后举行。
60
个成员国将对提案进行投票,投票采用多数同意制。事实上,SI修订工作得到了全球范围内的积极响应,这一修订是历史性的,我们期望所有60个成员国都能投票支持该提案。
 
投票结束后,“千克”会发生什么变化吗?
       
国际千克原器(IPK)保存地点不变,保存的环境条件也不变。这是一块具有历史意义的实物,人类研究它已有140年。尽管它不再定义千克,但仍具有一些计量方面的意义。
对于拥有千克基准的国家来说,他们仍然以用同样的方法保存它们。在其他复现千克的方法出现之前,这些实物基准仍将在溯源至千克新定义的测量过程中,发挥重要作用。
国际千克原器(IPK)是从什么时候开始使用的?
       
1885年起,国际千克原器先后被用于三次国际校准活动,每次活动都持续了几年时间。第三次活动在1993年结束。为了准备即将到来的重新定义,2014年再次启用国际千克原器,这样那些致力于研究千克重新定义的国家计量院就可以向其溯源。这看起来有些奇怪,但这么做是为了保证重新定义后的1千克与国际千克原器的1千克维持一致。不过,人为因素和环境因素对千克原器的稳定性是不利的。目前,千克原器被保存在(法国塞夫勒的布勒特伊宫)的一个保险箱内,保险箱必须由三把钥匙才能打开。这三把钥匙分别由国际计量局(BIPM)局长、国际计量委员会(CIPM)主席和法国国家档案馆馆长保管。这项工作受国际计量委员会的18名委员共同监督。千克原器的最近一次使用是在2014年。 
国际千克原器变化了吗?
       
这很难说,因为根据定义,国际千克原器的质量就是1千克!如果这个问题改为:与自然常数相比,国际千克原器的质量发生变化了吗?答案是:还没有。这是因为目前我们还没有达到比较这两者所需要的测量精度。将国际千克原器与保存在同样环境中的千克基准进行比较,没有检测到变化。然而,从1889年到1993年,对看似相同的千克实物基准进行比较时,检测到变化大约为每10050微克。变化的原因以及为什么变化停止(或暂停),这很有可能永远是一个谜。以实物为基础的千克定义带来了上述问题,而对于千克的新定义,这些问题将不复存在。
重新定义千克之后,我可以将质量标准器重新送检吗?
       
重新定义千克后,实验室和现在一样,继续将自己的质量标准器送到国家计量院(NMI)或其他次级校准实验室进行校准。然而,国家计量院将按照新定义对千克进行复现,那么,向千克的溯源途径会发生改变。
SI
用户可参考:www.bipm.org/utils/common/pdf/SI-statement.pdf
我们怎么才能确认实验室对千克的复现是正确的?
       
和其它单位一样,国际比对机制存在并运行很多年了。所有声称可复现千克单位的实验室需要通过与国际同行进行比对,以此来验证可溯源至千克单位的定义。。1999年达成的《各国计量基()准互认和各国计量院签发的校准与测量证书互认协议》(CIPM-MRA)中对此作了相关规定。

来源:国际计量局网站 
翻译:陈杭杭 朱秀梅

 

 
 

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