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**单位制SI迎来历史性变革

**单位制SI迎来历史性变革

上海众渊** 2019.07.07

**单位制SI迎来历史性变革

第26届**计量大会(CGPM)关于“修订**单位制(SI)”的1号决议经全体成员国表决通过。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。这是SI自1960年创建以来**为重大的变革,将从根本上**SI的长期稳定性,对科技创**、产业发展和**治理等影响深远。


实物原器退出历史舞台

     世界上**重要的一块铂铱合金圆柱体——**千克原器(**K)成为了千克定义的历史。这件为**科技服役近130年的实物原器将继续以原有状态保存在法国塞夫勒的布勒特伊宫地下保险箱内,为**定义相关研究和**比对发挥“余热”,但它将不再出现于**物理公式中。

                    

**千克原器**K

****供图

 

    据中国**从事质量**定义研究的李正坤研究员介绍,**K及其复制品是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的**的材料及工艺制成的,在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求。但实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所改变。

                                                  

清洗千克基准(第43号千克基准)

拍摄于20世纪90年代,****供图

 

     据****官方数据显示,**K真正“面世”参加**比对的次数仅有4次。100年间,各国保存的质量基准、****官方作证基准与**K的一致性共发生了约0.05 毫克的变化。但**K质量究竟变化了多少**今仍然是个迷。

                                                   

2003年参与**比对后**K被放回保险箱

****供图

     “用基本物理常数普朗克常数h重**定义千克后,质量基本单位**加稳定,量值传递**加**,我们不**再考虑**K质量是否发生变化,**不**担心**K丢失、损坏可能给**质量量值统一带来的毁灭性灾难。”李正坤表示。


      此外,**K作为**基准,量值只有1千克一种。从**基准到具体的应用场所,量值要经过多次分解和传递,这会对量值准确性造成损失。


     “基于**定义的千克可以在**、**小值的全范围内,保持相同的不确定度。”**计量委员会副主席、单位制咨询委主席约阿希姆·乌尔里希表示,“这对于**研究和工业应用而言都**重要。”


SI真正成为**通用的测量基础

       **单位制(SI)的起源可以追溯**1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的**测量体系。


     “‘米制’在创立时的愿景即是‘为全人类所用,在****适用’。其初衷是用一种**一致的‘自然常数’而非某种主观的标准来定义单位,而这一点随着SI的修订真正成为了现实。”**计量委员会主席白瑞·英格里斯表示。


     自启蒙**起,**测量界就致力于建立一个“**通用”的测量系统。用实物作为测量基准一直是一个可行的方式,但这也是测量界想要尽早摒弃的方式。SI的修订**次使所有的基本单位和导出单位都建立在恒定不变、**通用的常数上——**测量界多年夙愿成为了现实。


      此外,SI定义将**次独立于它们的复现方式:这些定义不会随着**好的复现方式的出现而过时。以安培为例,其旧定义是“两条间隔**距离的导线间的电磁作用力”,这意味着电流需要采用**的复现方式来定义。但是,随着约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的出现,旧的定义方式过时了。而安培的**定义则只和**时间内通过的电子数有关,并不涉及复现方式。

                                                                加拿大/英国基布尔(功率)天平装置    

                                                                  

     “**定义生效后,千克可以通过**适当的方法复现,比如基布尔天平法和阿佛加德罗法等,但并不**于此。”约阿希姆·乌尔里希表示。

                                                            **阿佛加德罗法(X射线晶体密度法)复现千克装置

                                                                                 中国**能量天平装置(**部)

       正如******长马丁·米尔顿在公开发表的声明中所说,用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础,意味着我们在深化**认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础**加坚实了。


      尽管从表面而言,大多数人并不会看到太大变化。“这好比你给房子换了一个****的地基,从表面上是不可能看到**变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得**耐久了。”马丁·米尔顿说,“就像1967年用原子的特性修订秒定义一样——尽管在修订之初人们并不知道它可以用在哪里。但现在,基于原子钟的计时技术已成为互联网、移动通信和卫星导航等技术的基础。**SI也是这样,它将在未来对**、技术、贸易、健康、环境以及**多领域产生深远影响。”


**单位制修订的中国贡献

       **计量委员会主席白瑞·英格里斯在声明中表示:“SI的修订是**成就的一座里程碑。这是所有参与相关研究工作的****与****责任与担当的体现,正是这些研究机构开展的潜心研究和通力合作,才取得了这样的成就。”


      事实上,早在20世纪中叶,随着量子技术的发展,人类对各种物理量的测量准确度得到了**的提高,时间、长度的SI单位先后经历了修订。2005年,**计量委员起草了关于采用基本物理常数重**定义部分SI基本单位的框架草案,建议采用普朗克常数定义千克等,并鼓励有能力的**实验室开展相关研究工作。


     中国计量**研究院作为我国的****,始终紧跟**计量**前沿,并在SI基本单位复现**理论、**方法等方面持续开展研究。截**目前,中国**已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿佛加德罗常数等物理常数测量以及量子基准的建立方面取得了系列突破。特别是该院利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为SI温度基本单位开尔文的修订做出了重要贡献。

                  

CODATA 2017玻尔兹曼常数平差所用数据

(NIM为中国计量**研究院)

来源:****技术数据委员会(CODATA)

 

      在****家们的努力下,用于SI**定义的常数被精心设计在“刚刚好”的数值上,因此,在**定义生效前后,单位的大小不会发生显著变化——1千克还将是原来的1千克——测量结果在**的准确度水平上仍然是一致的。


     “**定义生效后,绝大多数用户并不需要为此做出**反应,大家可以和原来一样,从****、****以及获得认可的实验室获得相关量值到SI的溯源性。”马丁·米尔顿表示。“事实上,电压单位伏特的量值将仅发生大约一千万分之一的变化,欧姆的变化则**小;千克、开尔文、摩尔的定义**是基本可以忽略不计。”


    另据****官方声**示,****将在千克重**定义以后继续开展关于千克复现基准方法的**比对,并得出千克的**“共识值”。建有相关复现装置的******须在“共识值”的基础上依据**定义进行量值传递,直到其独立复现的不确定度达到与“共识值”相当的水平。而其它不能独立复现千克的成员国,则可以通过****的校准服务实现质量量值对SI的溯源。


    据悉,中国**已独立建立了基于**定义的千克复现装置,并成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置,可以保障未来我国质量量值与**等效一致。


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