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國際計量界資深專家談國際單位制SI的修訂

發(fā)布時間:2019-03-01 作者:陳杭杭 龐海彬 許征 來源:《中國計量》雜志2018年第12期 瀏覽:4926

人類文明史的里程碑
國際計量界資深專家談國際單位制SI的修訂


  2018年11月16日,經(jīng)國際計量局60多個成員國表決,第26屆國際計量大會(CGPM)通過了關(guān)于“修訂國際單位制(SI)”的1號決議。根據(jù)決議,SI基本單位中的4個,即千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿伏伽德羅常數(shù)NA定義。這是SI自1960年創(chuàng)建以來最為重大的變革,將從根本上保證SI的長期穩(wěn)定性,對科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和全球治理等影響深遠。
  新SI到底改變了什么?為什么要做出這樣的改變?哪些人將受到影響或不受影響?新SI有何優(yōu)勢?將在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用?中國計量科學(xué)研究院采訪了國際計量界8位資深專家,對這些問題進行了解答。
  受訪專家包括:國際計量委員會主席白瑞·英格里斯(Barry Inglis)博士,國際計量局終身榮譽局長泰瑞·奎恩(Terry Quinn)博士,國際計量局局長馬丁·米爾頓(Martin Milton)博士,國際計量委員會副主席、美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院前院長威利·梅(Willie May)博士,國際計量委員會副主席、德國物理技術(shù)研究院院長約阿希姆·烏爾里希(Joachim Ullrich)教授,國際計量局前局長、德國物理技術(shù)研究院前副院長邁克爾·庫納(Michael Kuehne)教授,國際計量委員會委員、英國國家物理研究院前院長布萊恩?鮑舍爾(Brian Bowsher)博士和國際計量委員會秘書長、加拿大國家研究委員會國家測量標(biāo)準(zhǔn)研究院前院長詹姆斯?麥克拉倫(James McLaren)博士。

一、新SI有什么變化?

  英格里斯:從國際單位制的角度來說SI不會改變,我們還將擁有相同的國際單位。我們?nèi)詫⒂星Э?、米、秒和開爾文等,但重新定義會使一些單位的數(shù)值發(fā)生變化。有4個單位將受到影響,千克、安培、開爾文和摩爾。
  奎恩:我們測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)將不再基于實物。以千克為例,它的定義現(xiàn)在是基于一塊鉑銥合金(千克元器),而千克的新定義將基于物理常數(shù)。
  烏爾里希:我們確信,目前用于單位定義的常數(shù)是不會改變的,沒有科學(xué)跡象表明它們會發(fā)生變化。千克不再像以前那樣取決于某種實物的質(zhì)量,而是定義在自然界的物理常數(shù)上。我們固定這些常數(shù)的數(shù)值,根據(jù)公式將這些數(shù)值應(yīng)用到任何你想要定義的數(shù)量和單位上。
  梅:我想它還解決了一個好奇的學(xué)生可能一直在思考但不會問老師的問題:如果千克元器被奎恩先生或者米爾頓先生不小心摔在地上,磕掉了一塊,我們的質(zhì)量單位會怎么樣?
  奎恩:這個問題的答案很簡單。如果它磕掉了一塊,它的質(zhì)量仍然是1千克,但宇宙中其它物質(zhì)的質(zhì)量會發(fā)生變化。
  梅:就是這樣。通過重新定義單位,我們擺脫了這種哲學(xué)困境。
  庫納:復(fù)現(xiàn)單位不僅不再需要某種實物原器,而且向更多新方法開放了,因為它們是只基于常數(shù)的。我們將獲得更多、更好、更新的復(fù)現(xiàn)方法。我們不再受限制了。
  奎恩:一位中學(xué)物理老師問我還有什么新變化,我說除了千克之外,另一個變化就是電流的定義。目前,電流是通過兩根間隔1米的無限長導(dǎo)線來定義的。我們將改變它,電流將根據(jù)通過的電子數(shù)來定義。?。∥覀兘K于可以擺脫那個討厭的無限長導(dǎo)線了。
  烏爾里希:我想可能還有一些簡單的解釋。根據(jù)阿伏伽德羅(硅球法復(fù)現(xiàn)千克)的方式,我們?nèi)∫欢〝?shù)量的原子,然后我們可以從基本量子理論得到1個原子的質(zhì)量,最后我們只需要計算原子數(shù)就可以得到1千克了。其他所有的質(zhì)量也可以如此計算,因為根據(jù)1個原子的質(zhì)量,就可以知道5個、10個原子的質(zhì)量,所以理論上我們可以復(fù)現(xiàn)整個范圍內(nèi)的量值。
  米爾頓:我們一直在為2018年修訂SI做準(zhǔn)備,它將對質(zhì)量的測量產(chǎn)生影響,也將以新的方式影響溫度的測量。我們將可以使用新方法測量溫度,根據(jù)新的定義,我們可以將溫度量值直接溯源到SI。此外,許多高分辨率、高準(zhǔn)確度的電學(xué)測量將被引入SI系統(tǒng),我們通過電學(xué)系統(tǒng)探測到的量子效應(yīng),也可以直接溯源到新SI。
  麥克拉倫:雖然我們過去曾幾度修改了SI單位的定義,但我們目前所做的,有可能將是自國際單位制有史以來最大的修訂。這是測量史上的一件大事。

二、SI修訂對我們有什么影響?

  英格里斯:在短期內(nèi),普通人不會注意到差異,因為我們?nèi)匀粫星Э?,我們?nèi)匀粫忻住?
  奎恩:SI的修訂對大多數(shù)人來講幾乎沒有任何直接影響。大家不必擔(dān)心生活有什么變化。你還會在市場上買到1千克的土豆,沒問題。
  英格里斯:唯一會注意到這種變化的,是那些工作在對測量領(lǐng)域,對準(zhǔn)確度水平要求最高的人。在測量準(zhǔn)確度最高的領(lǐng)域,電學(xué)量的測量值會發(fā)生一定的變化,但這并不是指電力公司,而是指最高水平的電學(xué)儀器廠商,他們的電學(xué)測量儀器在新定義被采納后會受到影響。這些儀器的校準(zhǔn)值將隨新定義發(fā)生變化,但是,電學(xué)量可能是最早會受到影響的領(lǐng)域。在質(zhì)量方面,1千克的變化非常小,它不會影響大多數(shù)人。
  米爾頓:每個國家計量院都開展了相應(yīng)的工作,BIPM在其中起到了協(xié)調(diào)作用,以保證2019年新定義正式生效時,普通用戶、產(chǎn)業(yè)界人士以及科研人員都不會立即察覺有什么改變,他們的測量量值仍是連續(xù)的、穩(wěn)定的。這些修訂是為了滿足測量對未來長期的需求,所以,如果中國電信或其他用戶問我們有什么變化了,我們可以對他們說,新定義生效后的測量會和今天一樣,但未來可能會有所不同。
  梅:未來幾年內(nèi),全球公眾將會從我們現(xiàn)在開展的工作中感受到切切實實的益處。對于大多數(shù)人來說,這種好處不會立即顯現(xiàn)出來,但以后會看到的。我認(rèn)為SI的這次修訂將被人類歷史所記錄。

三、為什么要修訂SI?新SI有何優(yōu)勢?

  英格里斯:真正重要的是單位制的長期影響。我們無時不刻都在使用基于國際單位制的測量,例如通信、數(shù)據(jù)傳輸,這些都需要準(zhǔn)確的時間同步,這就需要測量時間等。從短期來看,SI的修訂不會產(chǎn)生影響,但它對國際單位制的長期穩(wěn)定性有好處,特別是在一些重大領(lǐng)域,比如環(huán)境、地球物理變化、地球運動規(guī)律、大氣變化等。對于這些領(lǐng)域的觀測,必須要有穩(wěn)定的參照物,才可以準(zhǔn)確地監(jiān)控和預(yù)測未來。
  烏爾里希:新SI的優(yōu)點是不變,穩(wěn)定。然后,我們可以說,修訂SI以前,千克元器掉在地下碎了,宇宙萬物的質(zhì)量會受到影響。但這種情況在SI修訂以后就不會再出現(xiàn)了,因為一個(物理常數(shù)的)數(shù)值不會掉在地上。即使你把它丟到地上,它也不會改變,因為它是恒定的。
  奎恩:修訂SI可以說是200年以來人類進步的新高潮,可以說是一件大事。當(dāng)法國在大革命期間開始采用米制系統(tǒng)時,它的想法是建立一個不屬于任何一個國家的測量系統(tǒng),全世界的人都可以使用它,它應(yīng)該是為全人類所用,在任何時代都有效的。我們認(rèn)為我們即將能夠做到這一點,因為物理常數(shù)不屬于任何一個國家,它們不屬于任何一個地方,它們在全宇宙都存在且相等。
  烏爾里希:我們不再需要到位于巴黎的國際計量局去復(fù)現(xiàn)量值。我們可以在任何地方復(fù)現(xiàn)。我們可以在生產(chǎn)線上復(fù)現(xiàn)——我們可以直接用溯源到SI的方式,校準(zhǔn)生產(chǎn)線上的上千個傳感器。
  奎恩:再說回到千克。如果你想進行精確的測量,目前你能達到的最準(zhǔn)確的測量是基于1千克的質(zhì)量元器的。如果你想測量1毫克,你必須對1千克進行分解,這樣你會失去準(zhǔn)確性。但是,使用基于常量的新定義,你就不會失去準(zhǔn)確性。你可以在非常小的級別或非常大的級別進行相同準(zhǔn)確度的測量,這可能會對工業(yè)產(chǎn)生一些實際影響。
  烏爾里希:另一個方面是梅博士今天早上所說的,我們可以建立一個更短的、直達SI的溯源鏈。從長遠來看,這對于物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)和微傳感器來說也很重要,它可以被放在任何地方,如比頭發(fā)小一百倍的傳感器,也可以根據(jù)SI進行自校準(zhǔn)。從長遠來看,這可能將促進工業(yè)界產(chǎn)生重大創(chuàng)新。對于科學(xué)而言,它同樣重要。從宏觀的角度,我們可以通過兩種方法復(fù)現(xiàn)千克;從微觀角度,我們還可以第一次通過至少兩種方法來測量原子質(zhì)量。我們可以第一次使原子和分子的質(zhì)量溯源到SI,這雖然對工業(yè)不是那么重要,但對科學(xué)而言卻非常重要。
  庫納:未來借助新定義,每個人都可以通過基準(zhǔn)方式復(fù)現(xiàn)1千克,所以,關(guān)鍵的問題在于對這些各自復(fù)現(xiàn)出的量值進行比較,因為我們希望未來各個國家通過各自的方式獨立復(fù)現(xiàn)出的質(zhì)量量值也是一致的。

四、SI的修訂工作由誰來承擔(dān)?

  米爾頓:計量是關(guān)于測量的科學(xué),有時我們說它是測量的藝術(shù),因為它非常精妙,是人類多年經(jīng)驗的結(jié)晶。國際計量組織,包括各個國家計量院所做的工作就是為了保證我們今天所測量的數(shù)據(jù)和明天是一致的,在一個城市的值和在另一個城市的值是一致的。所有不同的測量之間是相互協(xié)調(diào)的。這是我們努力在做的三件事。我們知道如果我們做好了這些事情,測量就能滿足社會、工業(yè)和政府的需求。通過溯源鏈,我們可以將測量結(jié)果與全球一致的測量標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來,這就是計量工作。這項工作不僅適用于實驗室,也適用于市場上的測量、互聯(lián)網(wǎng)購物時的測量、電子設(shè)備說明書上所涉及的測量。所有這些測量都和計量有關(guān)。溯源鏈則可以保證每個用戶得到的數(shù)值是正確的。
  鮑舍爾:我還要補充一點,SI的修訂同時也是一個宣傳計量的好機會,因為有時普通民眾并不能意識到計量與生活息息相關(guān)。它可以告訴我們現(xiàn)在的溫度,它可以告訴我們現(xiàn)在的感覺,它可以告訴我們事物的尺寸,它支撐了我們所做的一切。對于SI的修訂也許能讓我們領(lǐng)會到計量的重要價值,對整個科學(xué)和社會的基礎(chǔ)支撐作用。
  烏爾里希:只有通過測量,你才能最終理解它。我們所有的科學(xué)都是基于測量以及不同測量公式之間關(guān)系的?;谖覀兡壳暗恼J(rèn)知,科學(xué)是建立在測量的基礎(chǔ)上的。
  梅:嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量是科學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ),是所有被我們習(xí)以為常的事物以及所有新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ),就像智能手機,它之所以存在、之所以被發(fā)明,都是因為計量。但是,每個人都認(rèn)為這是理所當(dāng)然的,你甚至都沒有考慮過這些事情牽涉到計量。除此之外,我們還有加密技術(shù),如果我手機丟了,你將不會知道我的加密信息,這也需要計量工作的支撐。
  英格里斯:有一個名為CODATA的機構(gòu),它收集了全世界每個國家計量院所測量的基本物理常數(shù),它匯集了所有數(shù)據(jù)并為所有基本物理常數(shù)制定了推薦值。世界各國的國家計量院是推進基本物理常數(shù)有關(guān)科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ),對于這項科學(xué)研究而言,國家計量院發(fā)揮了關(guān)鍵作用。如果沒有他們的工作,SI修訂就不可能發(fā)生。中國的國家計量院(中國計量科學(xué)研究院)也發(fā)揮了重要作用,特別是在提高溫度單位開爾文的準(zhǔn)確性方面,他們做出了非常重要的貢獻。他們測定的玻爾茲曼常數(shù),將成為修訂開爾文定義的基礎(chǔ)。
  梅:我認(rèn)為世界各國國家計量院之間的合作還將不斷增強,因為我們已經(jīng)根據(jù)這些常數(shù)定義了這些單位。未來還會有越來越多更巧妙、但更困難的實現(xiàn)方法出現(xiàn),這將需要全世界的有志者通力合作、一起努力。

五、新SI將在哪些領(lǐng)域產(chǎn)生影響? 

  英格里斯:我們正在努力實現(xiàn)長期穩(wěn)定性,使得我們能夠?qū)κ澜缑媾R的重大挑戰(zhàn)性問題進行可靠的測量和監(jiān)測。我的意思是,這些挑戰(zhàn)將是全球性的,這個世界上所有人都受到物理變化的影響,我們都受到環(huán)境問題的影響,我們都受溫室效應(yīng)影響等。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)控和預(yù)測,我們需要非常穩(wěn)定的參照系。短期內(nèi)我們不會受益,但從長遠來看,它為我們的未來奠定了基礎(chǔ)。
  米爾頓:2018年我們關(guān)注的重點主要是關(guān)于測量的一些基本領(lǐng)域,以及我們將如何在未來改善它們。但我們也不要忘記,測量領(lǐng)域今天所面臨的其他重大挑戰(zhàn),比如能源測量,如何保障國家間能源交易的可靠;比如食品安全,如何為世界各地的人們提供安全的食物和水,如何保障藥品既有效、價格又合理。所有這些都取決于測量結(jié)果,世界各地的測量機構(gòu)都致力于此,并積極地參與到這些項目中來。我們現(xiàn)在談?wù)摰氖俏覀內(nèi)绾蝸硗瓿蛇@些任務(wù),以及長期性的改善,但我們?nèi)匀灰P(guān)注一些當(dāng)前全球性挑戰(zhàn)的。
  梅:我想量子技術(shù)肯定有可能提高美國人的生活質(zhì)量,在許多其他地方也有類似于我們正在進行的大腦領(lǐng)域研究,想要真正了解我們的大腦是如何工作的。我們知道,其中有許多低電平的信號聯(lián)結(jié)形成了復(fù)雜的通路。我們將如何測量這些系統(tǒng)?顯然現(xiàn)在還做不到。但是,如果我們有芯片級技術(shù),我們可能就有辦法了,甚至可能不需要植入,只要通過皮膚接觸就能夠測出來。如果我在中國或美國或其他地方對我的大腦進行測試,我們希望能得到相同的結(jié)果。這意味著這些量子測量值必須是絕對的,必須是正確的。這是幫助我們理解生命過程的重要工具。對我而言,除了物理、化學(xué)計量領(lǐng)域以外,生物領(lǐng)域?qū)τ嬃恳蔡岢隽司薮筇魬?zhàn),即我們?nèi)祟愑卸嗝聪嗨??又有多么不同?我們的思維是如何工作的?我認(rèn)為量子技術(shù)可以成為我們回答這些問題的工具。
  烏爾里希:還有醫(yī)療傳感。新的醫(yī)療檢測設(shè)備,也將對計量產(chǎn)生廣泛需求。目前,我們要對德國的各項血液指標(biāo)的正確性負責(zé)。我們正在監(jiān)督3000個實驗室,但只是(血液指標(biāo)中的)二十幾個值。在未來,你需要測量身體的數(shù)百個值才能了解自身的健康狀態(tài)。我最近剛看過這樣的電影,每天早上當(dāng)你上廁所的時候可以對自己的各項指標(biāo)進行測量,看看身體是否健康,狀態(tài)怎么樣。這一天終將會到來的,所以這些數(shù)據(jù)的可靠性非常重要。因為如果你去看醫(yī)生,他會根據(jù)這些測量結(jié)果做出診斷和治療計劃。如果數(shù)值不正確,你所接受的治療可能是不正確的。
  鮑舍爾:物理科學(xué)這么多年來一直對生命科學(xué)有很大幫助,但我們現(xiàn)在正在達到一個使我們能夠理解單個細胞內(nèi)發(fā)生的事情的精確水平,并可以將計量結(jié)果應(yīng)用于個性化醫(yī)療上。
  烏爾里希:例如,在PTB以及NIST,我們正致力于下一代的5G通信,我們都將為此受益。5G通信的頻率很高,傳輸速率也很高,這對工業(yè)界來說是一個巨大的挑戰(zhàn),但這對于自動駕駛這樣的應(yīng)用來說很重要,我們必須加快研究速度。
  鮑舍爾:我想再談?wù)剶?shù)據(jù)管理方面的內(nèi)容。因為據(jù)我了解,在與粒子物理和天文學(xué)等相關(guān)的工作中,會涉及到龐大的數(shù)據(jù)量,也許一天要處理的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于兩年前整個互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的總和。如何從大量不太有用的信息中篩選出高質(zhì)量的信息將是一項挑戰(zhàn),如何應(yīng)用這些數(shù)據(jù)來支持全球發(fā)展,也將是一項重大挑戰(zhàn)。

六、結(jié)語

  盡管此次SI修訂不會使單位的大小發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克,但修訂后的4個基本單位將與秒、米、坎德拉一起,提高SI的整體穩(wěn)定性和實用性。就像1967年秒定義的修訂使我們在今天擁有了GPS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一樣。新SI將在未來對科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
  中國計量科學(xué)研究院作為中國的國家計量院,始終緊跟國際計量科學(xué)前沿,并在SI基本單位復(fù)現(xiàn)新理論、新方法等方面持續(xù)開展研究。目前,中國計量院已在玻爾茲曼常數(shù)、阿伏伽德羅常數(shù)等基本物理常數(shù)測量,以及量子基準(zhǔn)的建立方面取得了系列突破。特別是該院利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數(shù),為SI溫度基本單位開爾文的修訂做出了重要貢獻,為我國在新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命中更好地應(yīng)對科技、產(chǎn)業(yè)和民生各大領(lǐng)域的全球性挑戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。
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