國際千克原器。圖/國際計量局官網

千克、安培、開爾文、摩爾……這些人類描述和定義世間萬物的標尺，今后將全部由“常數”定義。

昨日，國家市場監督管理總局舉行“國際單位制重大變革”專題新聞發布會。市場監管總局計量司司長謝軍在發布會上透露，明年5月20日起，中國將啟用新國際單位制，質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”將改由基本物理常數重新定義。

7個基本單位改由常數定義

“2018年11月16日，貌似平淡無奇的一天，人類文明悄然度過了一個關鍵節點。”在昨日的新聞發布會上，市場監管總局計量司司長謝軍援引一句評語，描述國際單位制重新定義的意義。

國際單位制(SI)作為國際通用測量語言，幾乎是世界上所有國家的法定單位制。去年11月16日，在法國巴黎召開的第26屆國際計量大會上，經包括中國在內的53個成員國集體表決，全票通過了關于“修訂國際單位制”的1號決議。

根據決議，質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”4個國際單位制基本單位將改由常數定義，從而更具有穩定性和普適性，并將于2019年5月20日“世界計量日”當天正式生效。

加之此前對時間單位“秒”、長度單位“米”和發光強度單位“坎德拉”的重新定義，至此，國際計量單位制的7個基本單位全部實現由基本物理常數定義。

中學物理教科書將改寫

“這是改變國際單位制采用實物計量的歷史性變革，也將成為人類科學發展進步中不會被忘記的一座里程碑。”謝軍指出，這次國際單位制的成功變革，將保證SI長期穩定性和環宇通用性，也將開啟任意時刻、任意地點、任意主體根據定義復現單位量值的大門。

明年5月20日，中國將啟用新國際單位制。

謝軍說，就像1967年，用原子的特性修訂了時間單位“秒”的定義，使我們在幾十年后的今天擁有了衛星導航和互聯網技術一樣，“千克”等4個國際單位制的重新定義，將在未來對人類科學、技術、貿易、健康、環境等領域產生重大而深遠的影響，而現在我們對這些影響的預判和認為，可能是未知遠遠大于已知。

一個近在眼前的影響是，中學物理教科書需要相應修訂。記者獲悉，目前，國家市場監管總局有關部門正與教育部進行溝通，爭取早日將新的國際單位制定義寫入中學教材。

【釋疑1】

為何重新定義基本單位?

按照第26屆國際計量大會1號決議，千克、安培、開爾文、摩爾將分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、波爾茲曼常數k和阿伏伽德羅常數NA定義。

從理論上說，這些基本物理常數的準確數值，與測量地點、測量時間及所用的測量儀器及材料均無關聯，是恒定不變的量。

以溫度單位“開爾文”為例，其原定義基于水的三相點熱力學溫度，即冰、液態水和水蒸氣共存時的溫度，定義為273.16開爾文。按照新定義，“開爾文”將由波爾茲曼常數k的固定數值定義。

質量單位“千克”作為最后一個仍由實物定義的SI單位，也將改由常數定義。中國計量科學研究院院長方向說，一個多世紀以來，1千克的質量都是由“國際千克原器”——一塊高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體來定義，即1千克等于國際千克原器的質量。

修訂后，千克將采用普朗克常數h的固定數值定義。其原理是將移動質量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數表達的電磁力，再通過質能轉換公式算出質量。

中國計量院從事質量新定義研究的研究員李正坤介紹，鑒于實物本身的不穩定性，測量界一直以來都在致力于建立一個不依賴于物理實物的測量體系。20世紀以來，科學家們測量了自然界的基本常數，如光速和普朗克常數，準確度越來越高。他們發現這些常數比實物更加穩定，并將這些常數的數值固定下來。這些自然常數不會發生變化，至少比實物穩定100萬倍。

“用普朗克常數h重新定義千克后，質量基本單位更加穩定，量值傳遞更加可靠，我們不必再考慮國際千克原器質量是否發生變化，更不必擔心國際千克原器丟失、損壞可能給全球質量量值統一帶來的毀滅性災難。”李正坤說。

【釋疑2】

計量單位變化有何影響?

對大多數普通人來說，國際單位制的變化不會對生活產生即時影響。

“千克的定義變化后，體重會變重嗎?買菜會不會變貴了?不會，買一斤菜還是一斤菜。”方向解釋說。

謝軍同樣指出，新定義生效后，對大多數科研人員、產業發展以及人們日常生產生活來說，不會直接造成大的改變，原有的測量結果仍將是連續的、穩定的。

“此次變革從表面看可能感覺不到發生的變化，就如同我們給房子換了一個更加堅固的地基，并不太會直接影響我們生活起居，但它實際上已經發生了‘脫胎換骨’的變化。”謝軍指出，SI重新定義將使計量基準可隨時隨地復現，“通俗地說，就是我們在生產生活中都將能夠直接應用最準的‘標尺’。”

方向進一步指出，得益于更高的測量準確度，可以測量極高、極低溫度的微小變化，更準確監測核反應堆內、航天器表面的溫度變化;在生物醫藥領域，可以更準確測量單個細胞內某種物質的含量，并根據病人實際需要，定制更精準的藥物劑量。

此外，謝軍進一步解釋說，SI重新定義生效后，可通過嵌入芯片級量子計量基準，將能把最高測量精度直接賦予制造設備并保持長期穩定，從而實現對產品制造全過程的更準確穩定地感知和最佳控制，支撐流程再造、節能減排和質量提升等，這將助推新一輪以信息技術、大數據和人工智能為特征的科技革命。

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130歲“國際千克原器”將退役

中國計量科學研究院院長方向介紹，國際單位制SI是從“米制”發展起來的國際通用的測量語言，是人類描述和定義世間萬物的標尺。國際單位制規定了7個具有嚴格定義的基本單位，分別是時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”和發光強度單位“坎德拉”。

它們好比7塊彼此獨立又相互支撐的“基石”，構成了國際單位制的“地基”。國際單位制規定的其他單位，如力的單位牛頓、電壓單位伏特、能量單位焦耳等等，都可以由這7個基本單位組合導出。

而“千克”重新定義后，國際千克原器將正式退役。方向介紹，經1889年第一屆國際計量大會批準使用以來，“國際千克原器”由國際計量局維護，保存在法國塞夫勒的布勒特伊宮地下保險箱內，并用三層玻璃鐘罩保護，最外一層抽成半真空，以防止空氣和雜質進入。保險箱必須由三把鑰匙同時開啟，鑰匙分別保存在國際計量局局長、國際計量委員會主席和法國國家檔案館館長手中。

方向介紹說，國際千克原器有且只有一個，各國按照一樣的大小、一樣的原材料復制了若干個，來保證計量標準一致，比如中國計量科學研究院就保存了三個復制件，目前有效的還有兩個。

每隔40年，各國計量院需將復制件運回巴黎，與原器進行對比，校準自己的千克原器。雖然國際千克原器被嚴格保存，但只要落上一粒塵埃，就會對全世界的質量標準產生變化。

服役近130年來，國際千克原器的質量與各國保存的復制件質量基準、國際計量局官方作證基準出現了約50微克偏差，這大約是一根睫毛的重量。