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国际计量单位(国际计量单位重新定义)

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

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今天是第20个“世界计量日”，第26届国际计量大会通过的关于国际单位制（SI）基本单位变革的决议生效实施。市市场监管局说，我国从今天起施行经修订后的新国际单位制（SI）。其中，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，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，自此，国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。TA们到底有哪些变化？

什么是国际单位制（SI）

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。

“米制”在创立时的愿景即是“为全人类所用，在任何时代适用”。其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。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。经过数十年的发展，到1960年，第11届CGPM将包含六个基本单位的单位制命名为国际单位制（SI），即：米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。国际单位制（SI）相关单位被世界共同采纳。1967年，基于铯原子的特，即基态超精细能级跃迁的频率重新定义了秒，实现了从“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年，第14届CGPM将摩尔（物质的量的基本单位）列为SI基本单位之一。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。

国际单位制（SI）新定义

此次施行的新国际单位制，是将7个基本单位中的4个，即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义；另外3个基本单位在定义的表述上也做了相应调整，以与此次修订的4个基本单位相一致。

自2019年5月20日起，国际单位的7个基本单位将全部由基本物理常数定义，这些常数如下：

其中，单位赫兹、焦耳、库伦、流明、瓦特的符号为Hz、J、C、lm、W，它们分别与单位秒（s）、米（m）、千克（kg）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）、坎德拉（cd）相关联，相互之间的关系为Hz = s-1，J = kg m2 s-2，C = A s, lm = cd m2 m-2= cd sr，W = m2 kgs-3。

自2019年5月20日起，SI基本单位采用以下定义：

改变了什么？

从新定义的深层意义来看，国际单位制的变化是“巨大”的。

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。据国际计量局数据显示，国际千克原器服役近130年来，它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出现了约50微克的偏差，但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。用基本物理常数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。

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。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。

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。

国际单位制的客观通用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。

3.定义的范围变了。

修订前的开尔文定义仅仅建立在水三相点一个固定点上，要测量比它更高或更低的温度，我们需要根据其他的固定点来延伸温标。而未来我们仅通过玻尔兹曼常数，就可以根据热力学温度与能量的关系，在整个温标范围实现同样准确的温度测量。千克也是这样。以前最准确的千克只有1千克一种，要对一个大于1千克的物体称重，我们需要将1千克进行重复累加；要对一个小于1千克的物体进行称重，则需要将1千克进行分割。累加和分割的过程都会给量值的准确带来损失。新的定义则不受此限制。

国际单位制的全范围准确，为科学发现和技术创新提供了新的机遇。得益于更高的测量准确度，将可以测量极高、极低温度的微小变化，从而更加准确地监测核反应堆内、航天器表面的温度变化；在生物医药领域，我们可以准确测量单个细胞内某种物质的含量，并根据病人的实际需要，制定更加精确的药物剂量。

4.定义的方法变了。

在新的国际单位制中，测量的两个重要概念，即单位定义和测量（或复现）方法是分离的。在旧定义中，单位的定义和实现方法是完全绑定的，例如，要复现1/273.16K，就必须在水三相共存的条件下；要复现1千克，就必须与位于法国的国际千克原器相联系。新定义生效后，千克可以通过任何适当的方法复现，比如基布尔天平法和X射线晶体密度法——这两种方法是目前世界上测量准确度最高的复现方法，但即使未来有更好的实验方案出现，单位的定义也不会因此受到影响。而复现开尔文，现在已经有多达5种方法，你擅长哪种就可以用哪种。

更好的测量原理、测量方法和实验仪器意味着人们可以在国际单位制框架下实现更佳的测量——这将引发仪器仪表产业的颠覆创新。集多参量、高准确度传感器为一体的综合测量，不受环境干扰无需送检的实时测量，众多物理量、化学量和生物量的极限测量等也成为了可能。

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