即將到來的2018年11月是國際單位制重新定義的時間節(jié)點，這是自米制公約誕生之后計量世界中一個最重大的、革命性的事件，測量科學由此邁出關(guān)鍵的一步，量值統(tǒng)一的途徑進一步拓展和高效。

一、 米制公約的誕生和意義

1.背景

18世紀后半期，科學的發(fā)展使得測量的范圍擴展到所有的力學量、熱工量、電磁學和光學量，各種物理量都選擇合適的單位，建立起數(shù)學關(guān)系加以定義。19世紀后半期，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、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個國家簽署了米制公約。米制公約創(chuàng)立了國際計量大會（CGPM）領(lǐng)導(dǎo)的，由國際計量委員會（CIPM）監(jiān)管的國際計量局（BIPM）這個政府間組織。截至2018年3月份，米制公約有正式成員國59個，準成員國或經(jīng)濟體42個[2]。

國際計量局（BIPM）的工作聚焦在世界計量事務(wù)，特別是關(guān)注世界范圍對持續(xù)提升的測量精度、日益擴展的范圍和領(lǐng)域的測量標準的需求。國際計量局領(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時代的結(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代一去不復(fù)返了；米制公約的簽署開啟了計量新時代，它通過普適的符合科學原理的定義建立被世界認可的統(tǒng)一的國際單位制，通過創(chuàng)立的CGPM,CIPM和BIPM實現(xiàn)統(tǒng)一世界測量標準的目的。隨著新時代的到來，各國紛紛建立了國家計量院，各國對計量研究的大量投入進一步促進了計量學的發(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，在科學原理的基礎(chǔ)上確立了BIPM和各國國家計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年第一屆國際計量大會(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)時世界上最普遍采用的標準度量衡單位系統(tǒng)，采用十進制進位系統(tǒng)。國際單位制（SI）是國際計量大會（CGPM）采納和推薦的一種一貫單位制。

1948年第9屆國際計量大會根據(jù)決議，責成國際計量委員會（CIPM）“研究并制定一整套計量單位規(guī)則”，力圖建立一種科學實用的計量單位制。1954年第10屆國際計量大會決議，決定采用長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學溫度和發(fā)光強度6個量作為實用計量單位制的基本量。1960年第11屆國際計量大會按決議，把這種實用計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)和分數(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，形成一整套計量單位規(guī)則。1971年第14屆國際計量大會決議，決定在前面6個量的基礎(chǔ)上，增加“物質(zhì)的量”作為國際單位制的第7個基本量，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、技術(shù)和人類活動相關(guān)的所有領(lǐng)域和所有準確度水平。目前七個基本單位的定義[3][4]如下：

隨著國際單位制的建立，各國國家計量院分別依據(jù)定義復(fù)現(xiàn)本國的單位基準量值，在國際間開展國際比對確?；鶞柿恐档牡刃?，在各自國內(nèi)依靠本國的計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)用大大地促進了科學與經(jīng)濟社會的發(fā)展。1999年由各國家計量院院長簽署的“國家計量院間國家計量標準和校準證書互認協(xié)議（CIPM MRA） ”， 實現(xiàn)了一次校準全球有效的目標，從國家技術(shù)基礎(chǔ)層面支撐了經(jīng)濟全球化的發(fā)展。

2、不足

隨著科學技術(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。實際上，根據(jù)國際計量局的官方數(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熱力學溫度的273.16分之一，但是水三相點關(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有明顯差異一，因而造成水三相點的不同；三相點容器長期存放，器壁鈉元素會污染純水，這些因素都致使實際復(fù)現(xiàn)的水三相點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的時間長度?；诘厍蜃赞D(zhuǎn)的平太陽日由天文觀測決定,但是天文學家發(fā)現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的周期不是恒定不變的，而是時快時慢。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量子化。1960年，第十一屆國際計量大會上正式批準廢除鉑銥米原器，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個波長的長度”。

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

1983年第十七屆國際計量大會又對米進行了進一步的定義：“米等于光在真空中299792 458 分之一秒的時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度”。該定義隱含了光速值c=299 792 458m/s，這是一個沒有誤差的定義值。

可以說單位定義的常數(shù)化從上世紀60年代拉開了序曲。米和秒這兩個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。

時間和長度單位計量量子化的成功，不斷催生其它計量單位的重新定義。國際計量委員會于2005年提議，將其余幾個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，依賴于實物的歷史。第24屆國際計量大會正式批準七個基本單位定義在基本常數(shù)上的建議。目前全面實現(xiàn)國際計量單位量子化定義的條件已經(jīng)基本具備，第26屆國際計量大會將于2018年11月對新的國際計量單位定義進行表決。表決通過后，2019年5月20日“世界計量日”起將正式實施全面重新定義的國際計量單位制。

　　2、 重新定義的內(nèi)容

此次重新定義的基本單位為四個：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)微觀粒子熱運動動能發(fā)生1.3806497×10–23焦耳變化的熱力學溫度的改變”；安培將定義為“單位時間內(nèi)通過1/1.6021766338×10–19個電子對應(yīng)的電流”；摩爾將定義為“精確包含6.022140761×1023個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個基本量中的6個實現(xiàn)了以定義常數(shù)和物理常數(shù)定義，量值的實現(xiàn)進入了基于量子物理的量子化時代。

四、 單位制重新定義的特點和影響

1、特點

國際單位制重新定義的特點是“計量單位量子化”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量院和各級計量機構(gòu)帶來了沖擊和機遇。

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

重新定義使得計量基標準與信息技術(shù)相結(jié)合，實現(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)果更準更穩(wěn)，將徹底改變過去依靠實物基準逐級傳遞的計量模式，解決了費時費力、效率低下、誤差放大等問題。

重新定義后，量子計量標準可以直接應(yīng)用到各種科技和生產(chǎn)活動現(xiàn)場，進行最佳測量和原地實時校準，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確度、測量范圍等方面取得技術(shù)上的突破進展，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)。

一是將改變國際計量體系和現(xiàn)有格局[6]。新的計量體系不再依賴于通過實物基準向各國傳遞量值，打破了由國際計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，主動布局，就可以在這一輪激烈競爭中脫穎而出，形成區(qū)域乃至全球計量體系的重要一極。反之，就要依賴于他國，進而喪失發(fā)展主導(dǎo)權(quán)和控制權(quán)。

二是將顯著提升國家計量管理效能。新的國際計量單位制使得單位量值可隨時隨地復(fù)現(xiàn)，將最準“標尺”直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活，大幅縮短量值傳遞鏈。這將推動傳統(tǒng)的以行政層級和行政區(qū)劃為特征、以實物計量器具為主體的計量管理模式的改革創(chuàng)新，釋放計量量子化變革效能。無時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、安全醫(yī)療等，也有利于大幅提升質(zhì)量水平，促進誠信建設(shè)，降低社會成本，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量基準，把最高測量精度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品制造過程的準確感知和最佳控制。測量水平的大幅提升，將為突破大型飛機、航空發(fā)動機及高檔數(shù)控機床、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：

1. 李慎安，計量單位制的發(fā)展[J]，《中國計量》 ，2003 (7) :36-38

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. 七個基本單位重新定義相關(guān)情況調(diào)研報告[R]，中國計量科學研究院內(nèi)部報告

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