为使大家更好地理解国际单位制（SI）量子化演进，本刊有幸请到国际计量委员会委员段宇宁先生撰文谈国际单位制的重新定义。后续还将请相关专家撰文，对国际单位制七个基本单位（时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”）的演进进行解读。
段宇宁委员在文中特别提到，即将到来的2018年11月是国际单位制重新定义的时间节点，这是自米制公约诞生之后计量世界中一个最重大的、革命性的事件，测量科学由此迈出关键的一步，量值统一的途径进一步拓展和高效。
第一作者简介
段宇宁，博士，研究员。1980-1985年在清华大学工程力学系热物理专业获得学士学位，1985-1988年在天津大学热物理系获硕士学位，1997-2001年在清华大学热能系获博士学位。
1988年加入中国计量科学研究院，从事热工计量和计量战略发展研究工作。现任中国计量科学研究院党委书记兼副院长，清华大学博士生导师，国家合格评定认可委员会（CNAS）副主任。2010年起连续当选国际计量委员会委员（由全球18位计量专家组成），领导米制公约下的国际计量工作；2011年当选国际测温学咨询委员会主席，领导和协调国际温度研究与计量工作。
主持完成国家支撑项目“以量子物理为基础的新一代计量基准研究”，主持完成国家标准专项课题“建立我国材料热物性测量标准装置研究”，主持完成国家基础平台项目“国家计量基标准体系（物理部分）资源共享平台”，主持完成多项原国家质检总局项目。以第一完成人获得国家科技进步二等奖1项，部委级科技进步二等奖2项。
鉴于其在国际温标研究及建立国家高温温标方面做出的突出贡献，荣获原国家质检总局“优秀中青年专家”，享受国务院颁发的“政府特殊津贴”。在抗“非典”的工作中，在测温仪的计量方面做出了重大贡献，被评为中央国家机关工委、北京市和原国家质检总局抗击“非典”先进个人。2004年获得第8届中国青年科技奖和亚太计量组织技术贡献奖；2005年入选新世纪百千万人才工程国家级人选。
即将到来的2018年11月是国际单位制重新定义的时间节点，这是自米制公约诞生之后计量世界中一个最重大的、革命性的事件，测量科学由此迈出关键的一步，量值统一的途径进一步拓展和高效。
一
米制公约的诞生和意义
1.背景
18世纪后半期，科学的发展使得测量的范围扩展到所有的力学量、热工量、电磁学和光学量，各种物理量都选择合适的单位，建立起数学关系加以定义。19世纪后半期，米制已被欧洲、美洲的许多国家接受，把各种单位构成逻辑关系形成一种单位制成为迫切要求[注1]。
1875年5月20日由阿根廷、奥地利-匈牙利、比利时、巴西、丹麦、法国、德国、意大利、秘鲁、葡萄牙、俄罗斯、西班牙、瑞典和挪威、瑞士、土耳其、美国、委内瑞拉共17个国家签署了米制公约。米制公约创立了国际计量大会（CGPM）领导的，由国际计量委员会（CIPM）监管的国际计量局（BIPM）这个政府间组织。截至2018年3月，米制公约有正式成员国59个，准成员国或经济体42个[注２]。
BIPM的工作聚焦在世界计量事务，特别是关注世界范围对持续提升的测量准确度、日益扩展的范围和领域的测量标准的需求。BIPM领导了国际单位制的建立。
2.意义
米制公约的签署宣布了一个时代的结束，由皇权和王权决定测量单位定义造成测量单位混乱的时代一去不复返了；米制公约的签署开启了计量新时代，它通过普适的符合科学原理的定义建立被世界认可的统一的国际单位制，通过创立的CGPM,CIPM和BIPM实现统一世界测量标准的目的。随着新时代的到来，各国纷纷建立了国家计量院，各国对计量研究的大量投入进一步促进了计量学的发展。简言之，米制公约打破了皇权和王权对单位定义的垄断，在科学原理的基础上确立了BIPM和各国国家计量院在单位量值建立上的权威。
二
国际单位制的作用和不足
1.国际单位制的作用
法国大革命期间建立的十进位米制（the decimal metric system）以米和千克为基础。根据1875年《米制公约》的规定，制造了新的米原器和千克原器，并为1889年第一届国际计量大会（CGPM）所正式接受。
国际单位制（法语：SystèmeInternational d'Unités，符号：SI），源自公制或米制，旧称“万国公制”，是现时世界上最普遍采用的标准度量衡单位系统，采用十进制进位系统。国际单位制（SI）是国际计量大会（CGPM）采纳和推荐的一种一贯单位制。
1948年第9届国际计量大会根据决议，责成国际计量委员会（CIPM）“研究并制定一整套计量单位规则”，力图建立一种科学实用的计量单位制。1954年第10届国际计量大会决议，决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度6个量作为实用计量单位制的基本量。1960年第11届国际计量大会按决议，把这种实用计量单位制定名为国际单位制，以SI作为国际单位制通用的缩写符号；制定用于构成倍数和分数单位的词头（称为SI词头）、SI导出单位和SI辅助单位的规则以及其他规定，形成一整套计量单位规则。1971年第14届国际计量大会决议，决定在前面6个量的基础上，增加“物质的量”作为国际单位制的第7个基本量，并通过了以它们的相应单位作为国际单位制的基本单位。
SI不是固定不变的，而是为适应世界上不断增加的测量需要而发展的，这些测量包括与科学、技术和人类活动相关的所有领域和所有准确度水平。目前七个基本单位的定义[注3、4]如图1所示。
长度
米，m：米是光在真空中于（1/299 792 458）秒时间间隔内所经路径的长度。
依据：真空中光速C0准确等于299 792 458米/秒。
质量
千克，kg：千克是质量的单位，等于国际千克原器的质量。
依据：国际千克原器的质量，m(K)，准确等于1kg。
时间
秒，s：秒是与Cs-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。
依据：Cs-133原子基态超精细分裂，
v(hfs Cs)，准确等于9 192 631 770 Hz。
电流
安培，A：安培是电流单位，在真空中，截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7牛顿，则每根导线中的电流为1安培。
依据：磁常数μ0，真空中的磁导率，准确等于4π×10-7 H/m。
热力学温度
开尔文，K：开尔文是热力学温度单位，等于水的三相点的热力学温度的1/273.16。
依据：水的三相点的热力学温度，Ttpw，准确等于273.16 K。
物质的量
摩尔，mol：
1、摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等。
2、使用摩尔时，基本单元应予指明，可以是原子、分子、离子、电子、其他粒子。或这些粒子的特定组合。
依据：碳-12的摩尔质量，M(12C)，准确等于12 g/mol。
发光强度
坎德拉，cd：坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540×1012 赫兹单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。
依据：频率为540×1012Hz单色辐射的光谱光视效能，K，准确等于683 lm/W。
图1 七个基本单位的定义
随着国际单位制的建立，各国国家计量院分别依据定义复现本国的单位基准量值，在国际开展国际比对以确保基准量值的等效，在各自国内依靠本国的计量体系开展量值传递，保障国内量值统一。国际单位制的应用大大地促进了科学与经济社会的发展。1999年由各国家计量院院长签署的“国家计量院间国家计量标准和校准证书互认协议（CIPM MRA）”，实现了一次校准全球有效的目标，从国家技术基础层面支撑了经济全球化的发展。
2.不足
随着科学技术的不断发展，国际单位制凸显了由于定义带来的缺陷[5]。千克被定义为国际千克原器（高和底面直径均为39毫米的正圆柱体）的质量。实际上，根据国际计量局的官方数据，在1889-1989年的100年间其他千克原器与国际千克原器比较，在质量一致性上发生了约0.05毫克的变化。
开尔文被定义为水三相点热力学温度的273.16分之一，但是水三相点关键比对结果显示，水中氢氧同位素丰度随水源、蒸馏工艺过程不同会有明显差异，因而造成水三相点的不同；三相点容器长期存放，器壁钠元素会污染纯水，这些因素都致使实际复现的水三相点有可能偏离开尔文定义值。
秒在1967年之前被定义为平太阳日的1/86400的时间长度。基于地球自转的平太阳日由天文观测决定,但是天文学家发现地球的自转和公转运动的周期不是恒定不变的，而是时快时慢。如果地球转速不同，“一天”的长度就不同，“一秒”的长度也不同。
三
单位制重新定义
1.重新定义的过程
随着科学技术的发展，尤其是量子物理理论的发展，基本单位的定义被逐个量子化。1960年，第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器，将米定义改为：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1 650 763.73个波长的长度”。
1967年，第十三届国际计量大会通过了基于铯原子跃迁的新的秒定义，即：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。
1983年第十七届国际计量大会又对米进行了进一步的定义：“米等于光在真空中299792 458 分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。该定义隐含了光速值c=299 792 458m/s，这是一个没有误差的定义值。
可以说单位定义的常数化从20世纪60年代拉开了序曲。米和秒这两个单位的量子化定义极大地提升了测量的准确度和范围，米定义使测量准确度提高了近10000倍，由此极大地推动了精密制造技术的提升和数字化控制技术的大范围应用;秒定义使测量准确度提高了1000万倍以上，实现了卫星导航定位，成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。
时间和长度单位计量量子化的成功，不断催生其他计量单位的重新定义。国际计量委员会于2005年提议，将其余几个基本单位全部定义在基本物理常数上，从而改变基本单位自有定义以来，依赖于实物的历史。第24届国际计量大会正式批准7个基本单位定义在基本常数上的建议。目前全面实现国际计量单位量子化定义的条件已经基本具备，第26届国际计量大会将于2018年11月对新的国际计量单位定义进行表决。表决通过后，2019年5月20日“世界计量日”起将正式实施全面重新定义的国际计量单位制。
2.重新定义的内容
此次重新定义的基本单位为4个：千克、开尔文、安培和摩尔。千克将定义为“对应普朗克常数为6.626070147×10-34Js时的质量单位”；开尔文将定义为“单位系统内微观粒子热运动动能发生1.3806497×10-23焦耳变化的热力学温度的改变”；安培将定义为“单位时间内通过1/1.6021766338×10-19个电子对应的电流”；摩尔将定义为“精确包含6.022140761×1023个原子或分子等基本单元的系统的物质的量”。
重新定义之后，国际单位制的7个基本量中的6个实现了基于量子物理且以定义常数（秒定义的铯原子跃迁频率严格上不属于物理常数）和物理常数定义，量值的实现进入了量子化时代。坎德拉没有参加这次重新定义。因为坎德拉定义的量子化在计量界没有取得共识，所以不包括在此次国际单位制变革中。
四
单位制重新定义的特点和影响
1.特点
国际单位制重新定义的特点是“计量单位量子化”和“量值传递扁平化”，给建立在传统量值传递体系上的国际计量院和各级计量机构带来了冲击和机遇。
以量子技术和基本物理常数为基础，对国际计量单位制重新定义，通过全面采用量子计量基准，将大幅提高测量准确度和稳定性。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。因此可以说重新定义开启了一个突破权威的时代。
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。
重新定义后，量子计量基准可以直接应用到各种科技和生产活动现场，进行最佳测量和原地实时校准，大大节约生产成本，显著提升产品质量，由此可能触发重大科技创新和颠覆性技术的诞生。
2.影响
国际单位制重新定义在测量准确度、测量范围等方面取得技术上的突破进展，而且将使全球测量体系发生重构，形成多级溯源中心和扁平化溯源甚至零链条的溯源体系，更将对管理体系、国家治理体系、对人的传统观念带来重大影响和挑战。
一是将改变国际计量体系和现有格局[注6]。新的计量体系不再依赖于通过实物基准向各国传递量值，打破了由国际计量局作为全球测量体系量值传递源头的单极中心局面，将形成一部分先进国家为主体的多级全球中心或区域中心。如能抢占技术制高点，主动布局，就可以在这一轮激烈竞争中脱颖而出，形成区域乃至全球计量体系的重要一极。反之，就要依赖于他国，进而丧失发展主导权和控制权。
二是将显著提升国家计量管理效能。新的国际计量单位制使得单位量值可随时随地复现，将最准“标尺”直接应用于生产生活，大幅缩短量值传递链。这将推动传统的以行政层级和行政区划为特征、以实物计量器具为主体的计量管理模式的改革创新，释放计量量子化变革效能。无时无处不在的最佳测量，直接有助于人们的公平交易、放心消费、安全医疗等，也有利于大幅提升质量水平，促进诚信建设，降低社会成本，有力保障和改善民生。
三是将有力支撑新一轮工业革命。国际单位制重新定义这一变革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，把最高测量准确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。测量水平的大幅提升，将为突破大型飞机、航空发动机及高档数控机床、核电装备等重大装备的共性关键技术与工程化、产业化瓶颈提供支撑和保障。
参考文献：
〔1〕李慎安，计量单位制的发展[J]，《中国计量》，2003（7）：36-38；
〔2〕The Metre Convention，
https：//www.bipm.org/en/worldwide-metrology/metre-convention/[EB/OL]，2018；
〔3〕陆袓良等，国际单位制SI简介[R]，2006；
〔4〕Bureau International des
Poids et Mesures，The InternationalSystem of Units（SI）[M]，8th edition，2006；
〔5〕7个基本单位重新定义相关情况调研报告[R]，中国计量科学研究院内部报告；
〔6〕段宇宁，计量新趋势[J]，《中国计量》，2013（2）：5-7。
END
本文刊发于《中国计量》杂志 2018年第5期
作者：中国计量科学研究院 段宇宁 吴金杰
