千克被重新定义 国际单位制迎来重大变革

科学界发生的一件大事，悄悄改变了我们日常使用的一些计量标准。

12月11日，国家市场监管总局召开国际单位制重大变革新闻发布会。计量司司长谢军在发布会上透露，明年5月20日，我国将开始使用新修订后的国际单位制，为抓住此次变革带来的历史性机遇，我国将强化计量量子化战略研究，并制定量子化时代的中国计量发展新规划（2020年-2035年）。

是不是感到一头雾水？没关系，这就给您细细讲解。

据谢军介绍，11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）在法国巴黎召开，这是翻开人类科技发展新篇章，具有跨时代、里程碑意义的一次科技盛会。在这次会议上，经包括中国在内的53个成员国集体表决，全票通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议。根据决议，质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”等4个SI基本单位的定义将由常数定义，并于明年的世界计量日——5月20日正式生效。加之此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义，至此，国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。

这是改变国际单位制采用实物计量的历史性变革，是人类科学发展进步中的一座里程碑。

首先，我们需要了解什么是国际单位制（SI）。

SI官方logo（中国计量院供图）

国际单位制SI是从“米制”发展起来的国际通用的测量语言，是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制规定了7个具有严格定义的基本单位，分别是时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。

它们好比7块彼此独立又相互支撑的“基石”，构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其它单位，如力的单位牛顿、电压单位伏特、能量单位焦耳等等，都可以由这7个基本单位组合导出。

国际单位制（SI）的起源可以追溯至1875年——17国签署《米制公约》并正式同意推行统一的国际测量体系。签署公约的初衷是为了支撑国际贸易、商业以及科学交流，过去是，现在是，将来也不会改变。

“米制”创立的初衷是用一种全球一致的“自然常数”而非某种主观的标准来定义单位，从而保障单位的长期稳定性。1米最早被定义为通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一。而面积、体积和质量等贸易、商业以及税收等领域所需的其它单位，则通过“米”来定义。1983年，米被定义为光在真空中于1/299 792 458秒内行进的距离，这是SI中的基本单位首次以基本常数——光速来定义。

那么，国际单位制的新定义改变了什么？

谢军表示，此次变革从表面来看，大家可能感觉不到发生的变化，就如同我们给房子换了一个更加坚固的地基，并不太会直接影响我们生活起居，但它实际上已经发生了“脱胎换骨”的变化。

1.定义的基础变了

以千克的现行定义为例，1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器（IPK）的质量。

国际千克原器是一块铂铱合金圆柱体，用三层玻璃钟罩保护，最外一层抽成半真空，以防止空气和杂质进入。在为科技界服役的130年内，为保证千克原器的绝对安全，原器被保存在国际计量局的一个保险箱内，保险箱必须由三把钥匙同时打开。这三把钥匙分别保存在国际计量局局长、国际计量委员会主席和法国国家档案馆馆长手中。

然而，即便是本身具备超强的抗氧化、耐腐蚀特性和外面的三重保护，国际千克原器的质量与各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准的一致性依然出现了约50微克的偏差。国际千克原器的质量是否发生了变化，具体变化了多少至今仍是一个谜。虽然听起来变化微乎其微，但这表明质量单位的实物基准的稳定性存在偏差，尤其是对一些高精尖产业来讲影响却很大。

测量基础的长期稳定，对于人类面临的重大挑战，特别是环境与气候变化、地球运动监测等非常重要。我们必须有一个能在很长时间内保持稳定的参考标准，才能获得可靠的测量数据——而可靠的数据一直是科学研究和政府决策的根基。

此次，用基本物理常数普朗克常数h重新定义千克后，质量单位将更加稳定，我们不必担心国际千克原器质量漂移可能给全球质量量值统一带来的问题。

2.定义的时空变了。

物理定律是放之宇宙而皆准的，但测量却有不少的人为因素。最早的千克是用1个标准大气压下1立方分米纯水在4摄氏度时的质量定义的，这实际上受到了温度、气压、水和容器等环境因素和测量过程的限制。

人们在19世纪末采用最先进的材料和工艺打造了国际千克原器，目的也是为了规避这些限制。但是，国际千克原器有且只有一个，无论它的质量是否发生漂移，各国计量院仍须以它为准，定期到位于法国的国际计量局校准自己的千克原器。

新定义生效后，理论上任何地方的任何人，都可以根据定义复现1千克，而且，我们今天在北京复现的量值，和我们的子孙后代未来在火星上复现的量值将是一致的。国际单位制的客观通用性不仅意味着国际测量界多年的夙愿正在逐渐成为现实，更意味着全球量值统一有了更广阔而便捷的途径：芯片级的传感器将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的溯源，物联网各个终端采集的数据由此可以实现可比——无时无处不在的最佳测量，将推动计量管理模式的改革创新，释放计量量子化变革效能，有助于提高智能制造、物联网等新技术产业的质量水平，有利于实现公平贸易、安全医疗等，从而促进诚信建设，降低社会成本，保障和改善民生。

此外，定义的范围与定义的方法也发生了变化。

什么不变？

对大多数人来说，国际单位制是“不变”的。

除电学单位外，新定义下各个单位大小和旧定义几乎完全一致。事实上，电学单位的改变也微乎其微，电压单位的变化约为正千万分之一，电阻单位的变化则更小。但这只会影响对测量不确定度要求最高的顶尖计量机构和校准实验室，对于普通用户、产业界人士和多数科研人员来说，新定义不会对他们造成影响，他们的测量结果仍将是连续的。

这看上去似乎理所当然，但实际上却是全球测量科学家数十年潜心研究和通力合作的结果——所有用于基本单位重新定义的“常数”都经过了精确测量与严格验证，从而保障了新单位的大小“不变”。

也就是说，1千克的菜还是1千克的菜，一片叶子也不会少，对咱们的日常生活完全没有影响。

变革带来哪些影响？

谢军介绍，这次SI重新定义生效后，对于大多数科研人员以及产业发展、人们日常生产生活来说，不会直接造成大的改变，原有的测量结果仍将是连续的、稳定的。但从专业角度观察，SI的重新定义，将改变国际计量体系和现有计量格局。

重新定义后，通过嵌入芯片级量子计量基准，将能把最高测量精度直接赋予制造设备并保持长期稳定，从而实现对产品制造全过程的更准确稳定地感知和最佳控制，有力支撑流程再造、节能减排和质量提升等。这将为当前世界范围内正在进行的新一轮以信息技术、大数据和人工智能为特征的科技革命，插上飞翔的“翅膀”。

重新定义将催生新的测量原理、测量方法和测量仪器。集多参量、高精度为一体的芯片级综合测量，不受环境干扰无需校准的实时测量，众多物理量、化学量和生物量的极限测量等将成为可能，测量仪器仪表形态将全面创新。这将为我国实施“科技强国”战略，走向工业制造强国，带来重要机遇，也将迎来重大挑战。

重新定义和量子测量技术发展将使得计量基准可随时随地复现。通俗地说，就是我们在生产生活中都将能够直接应用最准的“标尺”。无处不在的精准测量，将直接促进市场公平交易、实现精准医疗、改善环保节能等等，将进一步促进社会诚信建设、降低社会管理成本，将惠及人类生产生活的方方面面，实现社会的全面进步。

谢军介绍，我国目前获得国际互认的校准和测量能力已跃居全球第三、亚洲第一。我国自主可控的国家时间基准、长度量子基准都跻身世界先进行列。在这次国际计量单位制重大变革中，作为国家计量院的中国计量科学研究院为SI温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。我国已独立建立了基于新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国际等效一致。

谢军表示，我国将努力抓住和用好变革带来的历史性机遇，从国家战略的高度出发，统筹规划、整体布局，加强面向国家战略需求的计量基础研究、前沿性研究，加速推进国家计量基标准质量提升工程，研制以量子传感为基础的量子计量标准，重塑量传溯源体系，改革计量管理模式，充分发挥计量的国家战略资源作用。