2018年11月召開的第26屆國際計量大會，將包含“千克”在內(nèi)的四個國際單位制（SI）基本單位重新定義，自此，我們迎來國際單位制量子化新時代。到底什么是計量單位的量子化，本文從計量單位的發(fā)展概況，為什么要對SI基本單位進(jìn)行重新定義，基于常數(shù)的SI基本單位定義和計量單位量子化演進(jìn)的影響等四個方面進(jìn)行簡析。

一、計量單位的發(fā)展概況

自從人類有了商品交換以后就有了計量。早期出現(xiàn)的計量單位的定義取決于人的主觀意志，它們往往以人體某個部位或自然物體為基準(zhǔn)。在我國古書中有“布指知寸、布手知尺、舒臂為尋”“舉步為跬、倍跬為步”的記載。在古埃及，人們以自肘至指尖的長度作為一個腕尺，并以此建造出了金字塔。在英國，英王亨利一世的手臂向前平伸，以其鼻尖至指尖的距離定為一英寸（2.54cm）。此外，還有的用一百粒麥子排成直線的長度作為計量單位基準(zhǔn)。

主觀意志決定計量單位，導(dǎo)致的直接后果是計量單位的雜亂無章，嚴(yán)重阻礙人類社會的發(fā)展。1791年，“米”的定義誕生了，即把經(jīng)過巴黎的地球子午線長度的4000萬分之一定義為1米。從1792年至1799年，法國天文學(xué)家利用7年時間完成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。1799年，法國科學(xué)院根據(jù)測量結(jié)果制作了1米的長度基準(zhǔn)——米原器，從此產(chǎn)生了以實物基準(zhǔn)為代表的計量制度——米制。1875年5月20日，17個國家的代表在法國巴黎正式簽署《米制公約》，確定米制為國際通用的計量單位。

盡管地球非常龐大，但它的各種宏觀參數(shù)一直在緩慢變化，其運動周期的穩(wěn)定性并不是很高。國際米原器的精確度只有0.1微米，并且難以復(fù)現(xiàn)，容易損壞，隨時間會有緩慢地變化。隨著人類對微觀世界的認(rèn)識不斷深入，人類開始利用更為穩(wěn)定和精準(zhǔn)的微觀量子活動規(guī)律作為基準(zhǔn)去定義計量單位。量子計量基準(zhǔn)基于量子物理學(xué)中闡明的微觀粒子的運動規(guī)律，利用特定躍遷現(xiàn)象來復(fù)現(xiàn)計量單位。第一個付諸實用的量子計量單位是米，它是利用⁸⁶Kr原子在兩個能級之間發(fā)生特定躍遷時所發(fā)射的光波的波長作為長度基準(zhǔn)。1967年，以銫原子特定能級之間的躍遷頻率對時間單位秒的量子化定義，使秒成為最著名和最成功的量子化計量單位。

量子計量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性也受限于一些物理法則，例如，量子計量基準(zhǔn)的低不確定度源于微觀粒子在能級間的特定躍遷的高穩(wěn)定性，而從目前的物理學(xué)知識來看，自然常量(如真空中光速c、普朗克常數(shù)h、玻爾茲曼常數(shù)k、電子電荷e等)是恒定不變的，而且不依賴于具體物理過程。基于自然常數(shù)定義計量單位，不僅會有更高的穩(wěn)定度，還會有很好的普適性。1983年，長度單位米基于自然常數(shù)光速c定義，米的定義改為“光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內(nèi)所行進(jìn)的路程的長度”。這樣的定義實際上把光速定義成了計量基準(zhǔn),而長度單位米則成了導(dǎo)出單位。這種定義的特點表現(xiàn)在,今后隨著實驗技術(shù)的提高,長度單位米的不確定度可以不斷改進(jìn)而無需改動米的定義。因此，用自然常數(shù)定義的計量單位從準(zhǔn)確度、普適性方面大大優(yōu)于以往的單位定義方法。

二、為什么要對SI基本單位進(jìn)行重新定義

1.當(dāng)前SI基本單位定義存在問題

現(xiàn)在計量單位的定義使用了多種方式，有實物原器,如國際千克原器（IPK）；有特定的物理狀態(tài)，如開爾文的定義使用水的三相點；還有理想化的實驗方式，例如安培的定義；或自然常數(shù)，例如用光速來定義單位米。

對于日常規(guī)模的測量而言，目前的國際單位制定義已經(jīng)足夠。但是，對現(xiàn)代科學(xué)中的極端場景來說，SI這套工具就很糟糕,而且單位定義在某個特定的量級上，則遠(yuǎn)離的量級越遠(yuǎn)不確定度越大。例如，目前，毫克量級的測量，其最小相對不確定度至少是千克量級測量的2500倍。開爾文的定義是基于水三相點的定義值，即冰、液態(tài)水和水蒸氣共存時的溫度（定義為273.16開爾文）。當(dāng)測量與水三相點相差巨大的溫度時（比如在1500℃以上加工金屬），要想準(zhǔn)確地測出這一溫度比水三相點相差多少，就變得異常困難。

為了實際使用，計量單位不僅需要被定義，而且為傳遞還必須物理上得到復(fù)現(xiàn)。如果單位的定義是理想狀態(tài)的，而要想按照定義復(fù)現(xiàn)它就存在諸多不便。例如，電流單位安培定義中的“無限長”“圓截面可忽略”等要素，在單位復(fù)現(xiàn)時都將引起難以克服的困難。

2.基于人工實物基準(zhǔn)的單位定義存在弊端

就人工實物來說，定義和復(fù)現(xiàn)是等效的，這雖然簡單明了，但實物原器會發(fā)生變化以及被損傷和損壞。國際千克原器(IPK)從1889年起就可能開始產(chǎn)生未知的變化和漂移，但它卻一直保持著定義標(biāo)準(zhǔn)的地位，而且從世界各地到巴黎去溯源也是一項艱巨的任務(wù)。

3.對千克等單位重新定義的條件已經(jīng)成熟

對計量單位的重新修訂，是人們對計量單位長期穩(wěn)定性的訴求。如果能復(fù)現(xiàn)基本單位的具體技術(shù)手段，可以隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷與時俱進(jìn)，而基本單位的定義可以無需更改，那這樣的基本單位制將更加科學(xué)，也可在更長的時期內(nèi)為人們服務(wù)。

對千克等單位的重新定義，也已經(jīng)進(jìn)行了多年的討論，2007年國際計量大會要求國際計量局及各國計量研究機(jī)構(gòu)積極開展與SI基本單位重新定義有關(guān)的研究。經(jīng)過無數(shù)計量學(xué)家的不懈努力，解決方案已相繼達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，自然常數(shù)的確定完全可以達(dá)到相應(yīng)的準(zhǔn)確度，對千克等單位重新定義的條件已經(jīng)成熟。 

三、基于常數(shù)的SI基本單位定義

找到恒久不變的基準(zhǔn)，一直是人類的夢想。計量單位的量子化定義，實際上是使用不變的自然法則創(chuàng)建不變的測量規(guī)則，而自然界常數(shù)的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)從最小的測量量到最大的測量量，將原子和量子尺度的測量與宏觀層面的測量聯(lián)系起來。

在之前國際單位制單位定義的測量體系中,自然常數(shù)的值是由原定義的單位給定的,其數(shù)值由測量能力決定,這就導(dǎo)致基本常數(shù)的值總是處于不斷變化之中。新修訂的國際單位制完全基于自然常數(shù), 且常數(shù)的值將固定不變，不確定度為0，計量單位將通過自然常數(shù)本身定義或常數(shù)定義的公式導(dǎo)出。因為自然常數(shù)恒定,單位制的基礎(chǔ)將是最堅實可靠且“普遍適用”的。

例如，質(zhì)量的單位千克，它基于普朗克常數(shù)h 的定義公式進(jìn)行定義，普朗克常數(shù)h等于6.626 070 15×10^-34kg m² s^-1，使這個關(guān)系倒置，便可以導(dǎo)出千克的定義表達(dá)式：

而表達(dá)式中長度單位米（m）和時間單位秒（s）是依據(jù)光速常數(shù)（c）和銫133原子基態(tài)能級躍遷頻率（Δν_Cs）定義。因此，就可以根據(jù)常數(shù)h、Δν_Cs和c值導(dǎo)出一個千克的常數(shù)表達(dá)式：

以前的千克定義由國際千克原器的質(zhì)量值m(K)確定，m(K)精確地等于1千克，普朗克常數(shù)h的值必須通過實驗來確定。千克的量子化定義首先精確地確定了h的值，而原器的質(zhì)量現(xiàn)在必須通過實驗來確定。

四、計量單位量子化的影響

計量單位對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的影響是潛移默化的。計量單位量子化定義后,人們的日常測量活動與以前沒有明顯不同,從超市中的電子秤到工業(yè)大尺寸坐標(biāo)測量機(jī), 再到實驗室中的全血細(xì)胞計數(shù)，定義修訂前后測量的數(shù)值都是一樣的。

但計量單位的量子化定義能保證SI單位的未來能力，為未來發(fā)展奠定基礎(chǔ),所帶來的進(jìn)步將會逐漸顯現(xiàn)出來。一是計量單位的量子化定義,能夠不斷通過提高測量水平來提高單位復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確度,而不需要改變單位的基本定義。二是實現(xiàn)國際計量基準(zhǔn)的量子化、量值傳遞溯源的扁平化，將可形成先進(jìn)的多級全球計量量值中心或區(qū)域計量中心并開展量值傳遞溯源。三是將有力支撐新一輪技術(shù)革命，引發(fā)一大批技術(shù)產(chǎn)業(yè)的革命性創(chuàng)新發(fā)展。四是基于自然物理常數(shù)的計量單位量子化定義，原則上可在整個宇宙范圍內(nèi)通用,將引領(lǐng)人類的步伐邁向地球之外的廣闊空間。

追求精準(zhǔn)，“進(jìn)”無止境。精確度的每一步提升都引發(fā)了一場技術(shù)革命。計量單位的量子化，正改變著我們的未來，但永恒不變的是人類對精準(zhǔn)的追求。