INTRODUCTION 2018 年11 月，第26 届国际计量大会（CGPM）经国际计量局（BIPM）正式成员国表决，全票通过了关于国际单位制（SI） 修订的“1 号决议”。根据决议，新SI 所有基本单位的定义都将建立在7 个常数上，从而使SI 以更高稳定性、全球通用性、复现方法多元性等优势，满足科学探索、技术发展等人类活动在长远未来的需求。 根据决议，新SI 将于2019 年5 月20日起正式生效。新SI 到底改变了什么？为什么要做出这样的改变？哪些用户将受到影响或不受影响？新旧SI 更替之际需要我们做好哪些准备？国际计量局（BIPM）梳理了关于新SI 最常被问及的21 个问题，并对这些问题进行了权威解答。 修订后的SI有什么变化？ A1：千克（kg）、安培（A）、开尔文（K）和摩尔（mol）将具有新的定义。这些新定义都经过了精细的考量，因此各个单位的大小在新旧定义更替之际不会发生显著变化。新的定义已在第26届国际计量大会上经国际计量局正式成员国表决通过，并将于2019年5月20日起正式生效。 修改SI定义的意义是什么？ A2：用基本物理常数重新定义千克将确保其具有长期稳定性，进而变得更加可靠。这是现行的千克定义所不能保证的。 安培和开尔文的新定义将极大提升与它们相关的电学量以及辐射温度测量的准确度。这将即刻对电学测量产生影响：目前最准确的电学量需要依据约瑟夫森效应和量子化霍尔效应测出——而新的SI单位固定了普朗克常数h和基本电荷e的数值，使约瑟夫森常数和冯·克里青常数也具有了确切的数值。这将终结电学测量结果必须采用约定电学单位而不是SI单位来表达的局面（见A 14）。 新的开尔文和千克定义将固定辐射能量和热力学温度之间的转换因子（斯特藩-玻尔兹曼常数）的数值，这将引领温度计量随科技进步。 新的摩尔定义将比现行定义更简单，它将帮助SI的使用者更好理解“物质的量”的数量及其单位的本质。总而言之，修订后的SI将更好适应21世纪的技术需求。 秒（s）、米（m）和坎德拉（cd）的定义会如何？ A3：秒、米、坎德拉的定义将不变，但是它们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）新定义的表达方式一致。这些新的表达方式通过了第26届CGPM大会表决，并将于2019年5月20日起生效。 修订后的SI生效后，国际千克原器（IPK）会怎么样？它会被放在博物馆里供大家参观吗？ A4：目前我们并不打算改变IPK的存放环境条件。它仍将保存在国际计量局，还不能接受公众的参观。由于IPK仍保持着一些计量学上的意义，所以未来对它的质量监测仍将是零星进行的，从而尽可能避免监测为IPK表面带来损伤。未来对IPK质量的测量或许可以帮助我们推断IPK的质量在过去一段时间的稳定度。 今后我送检质量标准器，它们在新SI框架下的校准方式和过去一样吗？ A5：千克的新定义生效后，你可以和现在一样将质量标准器送到所在国的国家计量院（NMI）或次级校准实验室进行校准。但是，各个国家计量院用于链接到SI千克的溯源途径会发生改变。 事实上，在千克重新定以后，国际计量局将继续组织不同复现基准方法间的国际比对，并根据比对结果得出千克的国际“共识值”。建有相关复现装置的国家计量院必须在“共识值”的基础上依据新定义进行量值传递，直到其独立复现的不确定度达到与“共识值”相当的水平，以此来保持（各国计量院签发的）校准证书的国际一致性，并保证证书符合《各国计量基(标)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）的原则和条款。 其它不能独立复现千克的（国际计量局）成员国，则可以在“共识值”使用期间，通过国际计量局的校准服务直接获得（该国质量基准值）到同一个“共识值”的溯源性。 一旦各个实验室可以独立复现自己的千克量值，我们怎么能保证实验室之间的复现结果是可比的？ A6：就千克的情况来说，到了“共识值”不再有必要存在的阶段，所有的实验室将需要证明其复现结果到千克新定义的溯源性——这个定义是基于常数的。由于实验带来的不确定度常常有可能被低估或错估，因此所有声称自己可在最低不确定度范围内复现千克的实验室，将必须通过定期与同行进行比对来获得复现结果的可比性。早在1999年，《各国计量基(标)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）就建立了（关于国际比对的）基本机制，这些机制在计量界应用广泛。 各国的国家计量院是否也必须利用“共识值”来传递其它三个重新定义的单位？ A7：不。千克是个特例。电学单位和开尔文的情况将在A14和A8进行解答。对摩尔而言，当前的应用不会发生任何变化。 在修订后的SI框架下，我送温度计时，它们的校准方式和过去一样吗？ A8：是的。新的开尔文定义不会对国际通用的ITS-90和PLTS-2000温标的应用现状产生即刻的影响。（国际计量委员会）温度咨询委员会（CCT）已经发布了有关新定义即刻影响和未来优势的相关信息。 在修订后的SI中，千克定义的参考常数是普朗克常数h，单位J s = kgm2s-1。但用一个自身单位就是千克的参考常数来定义它，不是更好理解吗？这样一来，我们就可以说“千克是<某种特定物质>的质量”，如特定数量的碳原子或硅原子质量。这样的定义不是更好吗？ A9：这个判断在某种程度上是主观的。需要注意的是，用于单位定义的参考常数并不必须与单位的量值大小相同（尽管对于千克来说这样做在概念上会比较简单）。在现行SI中，我们实际上已经用好几个参考常数定义基本单位了。例如我们利用了参考常数——光速c在以m/s为单位时的数值来定义米，而不是用特定的长度来定义它。这个定义在目前看来并无不妥。这种（用常数定义单位的）方法始于1960年，当时安培的定义是基于一个单位是kg m s-2A-2的常数的固定值。（修订后的安培定义变得更简单了）。 抛开Q9的答案，仍然有人质疑用h而不是用碳12的原子质量m(12C) 定义千克是否合理。其中一个依据是：用于测定h值的基布尔天平[注]实验需要用到一个操作复杂、造价昂贵的实验装置，而通过XRCD（X射线晶体密度）实验测量硅28原子质量（从而推导到碳12原子质量）则相对简单、便宜。所以选择h而不是m(12C)作为千克定义的参考常数的根本原因是什么？ A10：这其实是两个不相关的问题：1. 为什么选择用h而不是用m (12C) 作为定义千克参考常数？2. 问题假定选择h还是m (12C)决定了千克量值将由瓦特天平还是XRCD实验复现。对吗？ 问题1：一旦物理常数的数值被固定下来，它不需要、事实上也不能被测量。举例来说，1983年SI以真空中光速c为参考常数重新定义了米，立刻为人类测量光速的悠久历史划上句号。这极大造福了科学与技术进步，其部分原因是光速c涉及到科学技术的众多领域，每当SI推荐的c值发生变化，与之相关、为数众多的常数和转换因数的数值也必须随之更新。现在看来，当时固定c的数值的决议无疑是正确的。 类似的，h是量子物理的基本常数，它的SI量值被许多现代科学和技术领域所广泛使用。随着实验水平的提升，更新h的推荐值在最好情况下也是恼人的，在最糟的情况下则令人费解。固定h数值的根本原因与固定c的数值类似，但它除此之外还对电学计量有着特殊优势，见A2。 当然，m (12C)不可否认是一个常量，而且它的值在化学和原子物理领域非常重要——因为原子量（化学家这么叫）或相对原子质量（物理学家这么叫）均建立在m (12C)上。尽管如此，原子量并不依赖于现行千克定义，新定义不会对它造成影响。 问题2：不。参考常数的选择与千克的复现方式无关，2018年国际计量大会“决议1”中也并没有体现任何复现方式。我们目前可以确定的是：一旦h成为新千克的参考常数，那么所有的复现方式必须溯源到h。但是，我们同时也确定，h/m (12C) = Q，其中Q是多个常数的乘积，包括有确切数值定义的常数和需要通过实验测定数值的常数。根据这些常数目前的推荐值计算，Q的相对标准不确定度只有4.5×10-10。一套直接以h模式测量1千克标准并辅以长度、时间、电压和电阻测量的装置，比如基布尔天平，可以用于复现千克；而以m (12C)模式测量1千克标准的实验方式，比如X射线晶体密度（XRCD）方式，也具有复现千克的潜力。这是因为m (12C)Q = h，通过测定m (12C)的方式得到h只需要（在m (12C)测量不确定度基础上）付出合成Q的不确定度的代价，而Q的不确定度（~4.5×10-10）对于新定义来说可以忽略不计。现在断言哪一种复现方法终将取胜或断言不同方法将保持共存，都为时尚早。目前来说，所有这些实验都是复杂且昂贵的。 与现行国际单位制（SI）相比，新SI中的7个基本量和单位会发生变化吗？ A11：不，7个基本量（时间、长度、质量、电流、热力学温度、物质的量和发光强度）以及对应的基本单位（秒、米、千克、安培、开尔文、摩尔和坎德拉）仍将保持不变。 SI中相互关联的、具有特定名称和符号的22个导出单位是否会发生变化？ A12：不，修订后SI中22个具有特定名称和符号的导出单位将保持不变。 新SI中，用于表述单位的倍数或因数的词头名称及符号（例如用“kilo（千）”代表103，用“milli（毫）”代表10-3，等等）是否会发生变化？ A13：不，这些词头名称及符号不会发生改变。 修订后的SI单位大小会发生变化吗？ A14：不会。SI的修订符合所谓的“连续性条件”，这使得SI基本单位的大小在修订前后不会发生变化，因此所有由基本单位导出的单位大小也不变。（电学单位是个例外，会有一点很小的变化：自1990年起，实用的电学单位建立在约瑟夫森常数和冯·克里青常数的约定值，而不是它们的SI旧定义上。修订后的SI将使得实用电学单位“重回SI”。这将一次性导致新SI中电压量值发生+0.1ppm的变化，电阻量值发生+0.02ppm的变化。） 你们将如何通过固定h的量值来定义千克，或通过固定e的量值来定义安培，诸如此类？你们怎么知道它们应固定到什么值上？如果你们突然发现选择了错误的值会怎么样？ A15：我们并不固定——或修订——任何用于单位定义的常数的量值。基本物理常数的量值是天然不变的，我们只是固定每个常数在采用SI单位进行表达时的数值。我们通过固定基本常数的数值来定义常数测量单位的大小。 例如：若c是光速的量值，{c}是它的数值，[c]是单位，使 c = {c} [c] = 299792458 m/s 则量值c是数值{c}和单位[c]的乘积，量值c永远不变。乘数{c}和[c]或许会经由其他方式重选以保障乘积c不变。 1983年，我们决定将数值{c}固定为299792458，并以此定义了速度的单位[c]= m/s。由于时间单位秒/s已经（通过原子跃迁频率）定义了，所以这主要起到了定义长度单位米/m的效果。新定义之所以选择这个数值，是为了保证单位m/s的幅值不变，从而保证新旧单位的连续性。 好吧，你们实际上只是固定物理常数在使用新单位表达时的数值。以千克为例，你们选择固定普朗克常数以新单位[h] = kgm2s-1表达时的数值{h}。但问题是，如果在SI修订不久后，有新的实验结果表明你们选择了错误的{h}又该怎么办？ A16：做出改变后，用于现行千克定义的国际千克原器（IPK）的实际质量将通过实验来确定。如果我们选择了“错误的值”，它仅仅意味着新的实验告诉我们IPK的质量在修订后的SI中并不精确等于1 kg。 这种情况只会影响宏观的质量测量，不会对原子质量以及其它与量子物理相关的常数的值产生影响。但如果我们仍沿用千克在1889年一致通过的定义，我们将继续承担由参考值（即IPK的质量）不稳定带来的后果——与真实不变的常量如原子质量或普朗克常数相比，IPK的稳定性是不确定的。 尽管关于IPK的质量相比真物理常量究竟在这些年间变化了多少，人们仍有争议，但是新定义的优势在于我们将确信，用千克定义的参考常数是真实不变的。 每个被用于单位定义的基本常数都有各自的不确定度；它的值并不能确切得知。但是新SI打算固定它们的确切数值？这是如何做到的？它们的不确定度呢？ A17：修订前的SI将1 kg定义为IPK质量的确切值，其不确定度为零：ur(mIPK) = 0；而普朗克常数的值是通过实验测定的，其相对标准不确定度大约是1.0×10-8，即ur(h)=1.0×10-8。 在新的定义中，普朗克常数的值是确定的，不确定度是0，而IPK的质量将通过实验测得，并有约1.0×10-8的相对标准不确定度。也就是说，不确定度并不会在新的定义中消失，只是如下表所示，转移到旧的参考标准上了： 用于千克定义的常数 修订前的SI 不确定度水平 修订后的SI 不确定度水平 IPK的质量，m(K) 精确等于 0 实验测得 ~1.0×10-8 普朗克常数，h 实验测得 ~1.0×10-8 精确等于 0 普朗克常数的单位与作用量的单位相同：J s = kgm2s-1。我们如何通过固定普朗克常数的数值来定义千克？ A18：固定普朗克常数的数值实际上定义了作用量的单位：J s = kgm2s-1。因为如果我们已经通过固定铯原子超精细能级跃迁频率 新SI 基本单位的定义不是循环定义吗？这并不令人满意吧？ A19：不，它们不是循环定义。循环定义是指用定义结果去建立定义。新SI中每个基本单位都是通过指定定义常数的数值来定义的，但并没有用结果来建立定义。 与现行国际单位制（SI）相比，新SI中的7个基本量和单位会发生变化吗？ A20：不，7个基本量（时间、长度、质量、电流、热力学温度、物质的量和发光强度）以及对应的基本单位（秒、米、千克、安培、开尔文、摩尔和坎德拉）仍将保持不变。 物理常数c、h和e将具有固定的数值。但是这样一来不是也同时固定了精细结构常数的值吗？这个值是不能被固定下来的！ A21：不是这样的。精细结构常数仍将由实验测得。在SI中，精细结构常数始终由c、h、e和μ0决定。第四个常数是真空中的磁导率，在旧定义中定义了安培。但是在修订后的SI中，μ0将通过测量精细结构常数的实验得出。 来源：中国计量科学研究院 原载于《中国计量》2019年第一期。 编译：陈杭杭 原文链接： https://www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/faqs.html(133Cs)hfs的数值定义了秒（s），通过固定真空中光速的数值定义了米（m），那么我们就可以通过固定单位kgm2s-1的大小来定义单位千克（kg）。
