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国际单位制(SI)的量子化演进

史蒂芬·帕托雷  国际法制计量局(BIML)局长致辞

2018年世界计量日选定的主题是国际单位制(SI)的量子化演进。这一演进是众多精诚奉献的计量学家为重新定义SI基本单位确定最佳方法、历时多年工作的结晶。此次SI单位的重新定义不会对法制计量产生直接影响，因为用户能够通过与目前相同的途径溯源到重新定义后的SI上。然而，它确实意味着我们定义某些测量单位的方式，以及在某些情况下最终建立溯源性的方式，会发生变化。

修订后的SI将完全基于自然常数。虽然这看起来可能是一个很大的变化，但事实上，在不远的过去它已经发生过好几次，如秒(1967/68年)和米(1983年)分别是从基于地球的运动和大小演变到基于原子和电磁常数来重新定义的。

上述改变的重要性在于，我们大多数人在学校学过，并且至今几乎铁板钉钉的某些概念，现在可能会改变。在巴黎近郊一个用三把锁才能打开的地下室中保存的铂铱(Pt-Ir)合金的千克原器，在工作了137年后即将进入半退役状态。

当然，这将标志着一个时代的结束。SI始于与人为认定标准关联的米千克秒制(MKS)。这种标准基于当时人们认定的自然界不变量，如地球的自转与大小，以及由一定量的水导出的一个重量(之后被统一确定为一个特定的铂铱合金)。随着时间的推移，更加先进的测量方法证明这些不变量实际上并非像之前认定的那般恒定。这一事实与能够更加准确实现单位定义的测量技术的进步一道，构成单位制演变的主要原因。现在最后一个原始标准将被基于基本自然常数的定义所取代。

千克原器“Le Grand K”只是最著名的SI原器，其实改变也会发生在其他单位上。开尔文将不再取决于水的属性，安培将不再基于一个难以实现的定义，而摩尔将变成一个更实际的定义。此外，千克、安培、开尔文和摩尔的重新定义将不会对秒、米和坎德拉的定义产生影响。

如前所述，我们预计SI的重新定义不会对法制计量产生影响，但对于我们这些多年从事单位制工作的人来说，这仍然是思想和方法上的重大变化。

我们请您花几分钟时间查看国际计量局(BIPM)网站上提供的与此主题相关的诸多文档。我们也希望诸位今年再次和我们一起共同庆祝世界计量日，并期待再次体现计量在我们日常生活中的重要性。(译文转自互联网 由郑华欣、郭谡 翻译)

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。

 

 

利用自然法则创建测量规则

国际计量局（BIPM）局长：马丁·米尔顿

国际单位制（SI）是全世界所有测量应用公认的单位制。自近60年前它首次被命名为SI以来，它便一直在尽可能地改进，以利用测量技术的进步满足新的要求。

2018年11月，国际计量大会预期将通过关于SI的一项最重大变革，即SI将基于一套与物理定律一一关联的定义。这一朝着以自然法则定义SI的历史性转变，将消除SI与基于实物原器的定义之间的最后关联。遵循这一修订，千克（kg）将不再如1889年第一届国际计量大会批准的那样与国际千克原器相关联，而是要直接与普朗克常数的精确值相关联。

200多年来，计量界对“米制”的共同宏志是为这个全球测量的一致基础提供普遍可及性。而今年11月有望通过的SI新定义将使我们朝着这一目标又迈进一步。新定义是基于对新型测量方法研究的结果，这些方法以量子现象为基础复现最基础的标准。一直以来，我们花了大量精力去确保变革实施后的新定义能与当前的定义兼容。这些变化只在具有最高精度要求的用户那里才会显现。

在为现有用户提供必要程度的连续性的同时，这些变化具有能够容纳未来测量方法的改进从而满足未来用户需求的优点，因为这些变化是牢牢基于物理定律的。新定义将运用“自然法则创建测量规则”，将原子和量子尺度的测量与宏观层面的测量关联起来。

随着科技的进步，人们对支撑新产品与新服务的测量的需求会不断增长。计量学是科学的一个动态分支，国际计量局和大计量界所采取的推动SI在2018年实现进步的措施将会支撑这些需求，并在多年以后仍然满足这些需求。