2018年11月16日，經(jīng)國際計量局60多個成員國表決，第26屆國際計量大會（CGPM）通過了關(guān)于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。根據(jù)決議，SI基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿伏伽德羅常數(shù)NA定義。這是SI自1960年創(chuàng)建以來最為重大的變革，將從根本上保證SI的長期穩(wěn)定性，對科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和全球治理等影響深遠(yuǎn)。

　　新SI到底改變了什么？為什么要做出這樣的改變？哪些人將受到影響或不受影響？新SI有何優(yōu)勢？將在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用？中國計量科學(xué)研究院采訪了國際計量界8位資深專家，對這些問題進(jìn)行了解答。

　　受訪專家包括：國際計量委員會主席白瑞·英格里斯（Barry Inglis）博士，國際計量局終身榮譽(yù)局長泰瑞·奎恩（Terry Quinn）博士，國際計量局局長馬丁·米爾頓（Martin Milton）博士，國際計量委員會副主席、美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院前院長威利·梅（Willie May）博士，國際計量委員會副主席、德國物理技術(shù)研究院院長約阿希姆·烏爾里希（Joachim Ullrich）教授，國際計量局前局長、德國物理技術(shù)研究院前副院長邁克爾·庫納（Michael Kuehne）教授，國際計量委員會委員、英國國家物理研究院前院長布萊恩?鮑舍爾（Brian Bowsher）博士和國際計量委員會秘書長、加拿大國家研究委員會國家測量標(biāo)準(zhǔn)研究院前院長詹姆斯?麥克拉倫（James McLaren）博士。

　　英格里斯：從國際單位制的角度來說SI不會改變，我們還將擁有相同的國際單位。我們?nèi)詫⒂星Э恕⒚?、秒和開爾文等，但重新定義會使一些單位的數(shù)值發(fā)生變化。有4個單位將受到影響，千克、安培、開爾文和摩爾。

　　奎恩：我們測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)將不再基于實物。以千克為例，它的定義現(xiàn)在是基于一塊鉑銥合金（千克元器），而千克的新定義將基于物理常數(shù)。

　　烏爾里希：我們確信，目前用于單位定義的常數(shù)是不會改變的，沒有科學(xué)跡象表明它們會發(fā)生變化。千克不再像以前那樣取決于某種實物的質(zhì)量，而是定義在自然界的物理常數(shù)上。我們固定這些常數(shù)的數(shù)值，根據(jù)公式將這些數(shù)值應(yīng)用到任何你想要定義的數(shù)量和單位上。

　　梅：我想它還解決了一個好奇的學(xué)生可能一直在思考但不會問老師的問題：如果千克元器被奎恩先生或者米爾頓先生不小心摔在地上，磕掉了一塊，我們的質(zhì)量單位會怎么樣？

　　奎恩：這個問題的答案很簡單。如果它磕掉了一塊，它的質(zhì)量仍然是1千克，但宇宙中其它物質(zhì)的質(zhì)量會發(fā)生變化。

　　梅：就是這樣。通過重新定義單位，我們擺脫了這種哲學(xué)困境。

　　庫納：復(fù)現(xiàn)單位不僅不再需要某種實物原器，而且向更多新方法開放了，因為它們是只基于常數(shù)的。我們將獲得更多、更好、更新的復(fù)現(xiàn)方法。我們不再受限制了。

　　奎恩：一位中學(xué)物理老師問我還有什么新變化，我說除了千克之外，另一個變化就是電流的定義。目前，電流是通過兩根間隔1米的無限長導(dǎo)線來定義的。我們將改變它，電流將根據(jù)通過的電子數(shù)來定義。??！我們終于可以擺脫那個討厭的無限長導(dǎo)線了。

　　烏爾里希：我想可能還有一些簡單的解釋。根據(jù)阿伏伽德羅（硅球法復(fù)現(xiàn)千克）的方式，我們?nèi)∫欢〝?shù)量的原子，然后我們可以從基本量子理論得到1個原子的質(zhì)量，最后我們只需要計算原子數(shù)就可以得到1千克了。其他所有的質(zhì)量也可以如此計算，因為根據(jù)1個原子的質(zhì)量，就可以知道5個、10個原子的質(zhì)量，所以理論上我們可以復(fù)現(xiàn)整個范圍內(nèi)的量值。

　　米爾頓：我們一直在為2018年修訂SI做準(zhǔn)備，它將對質(zhì)量的測量產(chǎn)生影響，也將以新的方式影響溫度的測量。我們將可以使用新方法測量溫度，根據(jù)新的定義，我們可以將溫度量值直接溯源到SI。此外，許多高分辨率、高準(zhǔn)確度的電學(xué)測量將被引入SI系統(tǒng)，我們通過電學(xué)系統(tǒng)探測到的量子效應(yīng)，也可以直接溯源到新SI。

　　麥克拉倫：雖然我們過去曾幾度修改了SI單位的定義，但我們目前所做的，有可能將是自國際單位制有史以來最大的修訂。這是測量史上的一件大事。

　　英格里斯：在短期內(nèi)，普通人不會注意到差異，因為我們?nèi)匀粫星Э?，我們?nèi)匀粫忻住?

　　奎恩：SI的修訂對大多數(shù)人來講幾乎沒有任何直接影響。大家不必?fù)?dān)心生活有什么變化。你還會在市場上買到1千克的土豆，沒問題。

　　英格里斯：唯一會注意到這種變化的，是那些工作在對測量領(lǐng)域，對準(zhǔn)確度水平要求最高的人。在測量準(zhǔn)確度最高的領(lǐng)域，電學(xué)量的測量值會發(fā)生一定的變化，但這并不是指電力公司，而是指最高水平的電學(xué)儀器廠商，他們的電學(xué)測量儀器在新定義被采納后會受到影響。這些儀器的校準(zhǔn)值將隨新定義發(fā)生變化，但是，電學(xué)量可能是最早會受到影響的領(lǐng)域。在質(zhì)量方面，1千克的變化非常小，它不會影響大多數(shù)人。

　　米爾頓：每個國家計量院都開展了相應(yīng)的工作，BIPM在其中起到了協(xié)調(diào)作用，以保證2019年新定義正式生效時，普通用戶、產(chǎn)業(yè)界人士以及科研人員都不會立即察覺有什么改變，他們的測量量值仍是連續(xù)的、穩(wěn)定的。這些修訂是為了滿足測量對未來長期的需求，所以，如果中國電信或其他用戶問我們有什么變化了，我們可以對他們說，新定義生效后的測量會和今天一樣，但未來可能會有所不同。

　　梅：未來幾年內(nèi)，全球公眾將會從我們現(xiàn)在開展的工作中感受到切切實實的益處。對于大多數(shù)人來說，這種好處不會立即顯現(xiàn)出來，但以后會看到的。我認(rèn)為SI的這次修訂將被人類歷史所記錄。

　　英格里斯：真正重要的是單位制的長期影響。我們無時不刻都在使用基于國際單位制的測量，例如通信、數(shù)據(jù)傳輸，這些都需要準(zhǔn)確的時間同步，這就需要測量時間等。從短期來看，SI的修訂不會產(chǎn)生影響，但它對國際單位制的長期穩(wěn)定性有好處，特別是在一些重大領(lǐng)域，比如環(huán)境、地球物理變化、地球運(yùn)動規(guī)律、大氣變化等。對于這些領(lǐng)域的觀測，必須要有穩(wěn)定的參照物，才可以準(zhǔn)確地監(jiān)控和預(yù)測未來。

　　烏爾里希：新SI的優(yōu)點(diǎn)是不變，穩(wěn)定。然后，我們可以說，修訂SI以前，千克元器掉在地下碎了，宇宙萬物的質(zhì)量會受到影響。但這種情況在SI修訂以后就不會再出現(xiàn)了，因為一個（物理常數(shù)的）數(shù)值不會掉在地上。即使你把它丟到地上，它也不會改變，因為它是恒定的。

　　奎恩：修訂SI可以說是200年以來人類進(jìn)步的新高潮，可以說是一件大事。當(dāng)法國在大革命期間開始采用米制系統(tǒng)時，它的想法是建立一個不屬于任何一個國家的測量系統(tǒng)，全世界的人都可以使用它，它應(yīng)該是為全人類所用，在任何時代都有效的。我們認(rèn)為我們即將能夠做到這一點(diǎn)，因為物理常數(shù)不屬于任何一個國家，它們不屬于任何一個地方，它們在全宇宙都存在且相等。

　　烏爾里希：我們不再需要到位于巴黎的國際計量局去復(fù)現(xiàn)量值。我們可以在任何地方復(fù)現(xiàn)。我們可以在生產(chǎn)線上復(fù)現(xiàn)——我們可以直接用溯源到SI的方式，校準(zhǔn)生產(chǎn)線上的上千個傳感器。

　　奎恩：再說回到千克。如果你想進(jìn)行精確的測量，目前你能達(dá)到的最準(zhǔn)確的測量是基于1千克的質(zhì)量元器的。如果你想測量1毫克，你必須對1千克進(jìn)行分解，這樣你會失去準(zhǔn)確性。但是，使用基于常量的新定義，你就不會失去準(zhǔn)確性。你可以在非常小的級別或非常大的級別進(jìn)行相同準(zhǔn)確度的測量，這可能會對工業(yè)產(chǎn)生一些實際影響。

　　烏爾里希：另一個方面是梅博士今天早上所說的，我們可以建立一個更短的、直達(dá)SI的溯源鏈。從長遠(yuǎn)來看，這對于物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)和微傳感器來說也很重要，它可以被放在任何地方，如比頭發(fā)小一百倍的傳感器，也可以根據(jù)SI進(jìn)行自校準(zhǔn)。從長遠(yuǎn)來看，這可能將促進(jìn)工業(yè)界產(chǎn)生重大創(chuàng)新。對于科學(xué)而言，它同樣重要。從宏觀的角度，我們可以通過兩種方法復(fù)現(xiàn)千克；從微觀角度，我們還可以第一次通過至少兩種方法來測量原子質(zhì)量。我們可以第一次使原子和分子的質(zhì)量溯源到SI，這雖然對工業(yè)不是那么重要，但對科學(xué)而言卻非常重要。

　　庫納：未來借助新定義，每個人都可以通過基準(zhǔn)方式復(fù)現(xiàn)1千克，所以，關(guān)鍵的問題在于對這些各自復(fù)現(xiàn)出的量值進(jìn)行比較，因為我們希望未來各個國家通過各自的方式獨(dú)立復(fù)現(xiàn)出的質(zhì)量量值也是一致的。

　　米爾頓：計量是關(guān)于測量的科學(xué)，有時我們說它是測量的藝術(shù)，因為它非常精妙，是人類多年經(jīng)驗的結(jié)晶。國際計量組織，包括各個國家計量院所做的工作就是為了保證我們今天所測量的數(shù)據(jù)和明天是一致的，在一個城市的值和在另一個城市的值是一致的。所有不同的測量之間是相互協(xié)調(diào)的。這是我們努力在做的三件事。我們知道如果我們做好了這些事情，測量就能滿足社會、工業(yè)和政府的需求。通過溯源鏈，我們可以將測量結(jié)果與全球一致的測量標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來，這就是計量工作。這項工作不僅適用于實驗室，也適用于市場上的測量、互聯(lián)網(wǎng)購物時的測量、電子設(shè)備說明書上所涉及的測量。所有這些測量都和計量有關(guān)。溯源鏈則可以保證每個用戶得到的數(shù)值是正確的。

　　鮑舍爾：我還要補(bǔ)充一點(diǎn)，SI的修訂同時也是一個宣傳計量的好機(jī)會，因為有時普通民眾并不能意識到計量與生活息息相關(guān)。它可以告訴我們現(xiàn)在的溫度，它可以告訴我們現(xiàn)在的感覺，它可以告訴我們事物的尺寸，它支撐了我們所做的一切。對于SI的修訂也許能讓我們領(lǐng)會到計量的重要價值，對整個科學(xué)和社會的基礎(chǔ)支撐作用。

　　烏爾里希：只有通過測量，你才能最終理解它。我們所有的科學(xué)都是基于測量以及不同測量公式之間關(guān)系的。基于我們目前的認(rèn)知，科學(xué)是建立在測量的基礎(chǔ)上的。

　　梅：嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量是科學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是所有被我們習(xí)以為常的事物以及所有新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)，就像智能手機(jī)，它之所以存在、之所以被發(fā)明，都是因為計量。但是，每個人都認(rèn)為這是理所當(dāng)然的，你甚至都沒有考慮過這些事情牽涉到計量。除此之外，我們還有加密技術(shù)，如果我手機(jī)丟了，你將不會知道我的加密信息，這也需要計量工作的支撐。

　　英格里斯：有一個名為CODATA的機(jī)構(gòu)，它收集了全世界每個國家計量院所測量的基本物理常數(shù)，它匯集了所有數(shù)據(jù)并為所有基本物理常數(shù)制定了推薦值。世界各國的國家計量院是推進(jìn)基本物理常數(shù)有關(guān)科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，對于這項科學(xué)研究而言，國家計量院發(fā)揮了關(guān)鍵作用。如果沒有他們的工作，SI修訂就不可能發(fā)生。中國的國家計量院（中國計量科學(xué)研究院）也發(fā)揮了重要作用，特別是在提高溫度單位開爾文的準(zhǔn)確性方面，他們做出了非常重要的貢獻(xiàn)。他們測定的玻爾茲曼常數(shù)，將成為修訂開爾文定義的基礎(chǔ)。

　　梅：我認(rèn)為世界各國國家計量院之間的合作還將不斷增強(qiáng)，因為我們已經(jīng)根據(jù)這些常數(shù)定義了這些單位。未來還會有越來越多更巧妙、但更困難的實現(xiàn)方法出現(xiàn)，這將需要全世界的有志者通力合作、一起努力。

　　英格里斯：我們正在努力實現(xiàn)長期穩(wěn)定性，使得我們能夠?qū)κ澜缑媾R的重大挑戰(zhàn)性問題進(jìn)行可靠的測量和監(jiān)測。我的意思是，這些挑戰(zhàn)將是全球性的，這個世界上所有人都受到物理變化的影響，我們都受到環(huán)境問題的影響，我們都受溫室效應(yīng)影響等。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)控和預(yù)測，我們需要非常穩(wěn)定的參照系。短期內(nèi)我們不會受益，但從長遠(yuǎn)來看，它為我們的未來奠定了基礎(chǔ)。

　　米爾頓：2018年我們關(guān)注的重點(diǎn)主要是關(guān)于測量的一些基本領(lǐng)域，以及我們將如何在未來改善它們。但我們也不要忘記，測量領(lǐng)域今天所面臨的其他重大挑戰(zhàn)，比如能源測量，如何保障國家間能源交易的可靠；比如食品安全，如何為世界各地的人們提供安全的食物和水，如何保障藥品既有效、價格又合理。所有這些都取決于測量結(jié)果，世界各地的測量機(jī)構(gòu)都致力于此，并積極地參與到這些項目中來。我們現(xiàn)在談?wù)摰氖俏覀內(nèi)绾蝸硗瓿蛇@些任務(wù)，以及長期性的改善，但我們?nèi)匀灰P(guān)注一些當(dāng)前全球性挑戰(zhàn)的。

　　梅：我想量子技術(shù)肯定有可能提高美國人的生活質(zhì)量，在許多其他地方也有類似于我們正在進(jìn)行的大腦領(lǐng)域研究，想要真正了解我們的大腦是如何工作的。我們知道，其中有許多低電平的信號聯(lián)結(jié)形成了復(fù)雜的通路。我們將如何測量這些系統(tǒng)？顯然現(xiàn)在還做不到。但是，如果我們有芯片級技術(shù)，我們可能就有辦法了，甚至可能不需要植入，只要通過皮膚接觸就能夠測出來。如果我在中國或美國或其他地方對我的大腦進(jìn)行測試，我們希望能得到相同的結(jié)果。這意味著這些量子測量值必須是絕對的，必須是正確的。這是幫助我們理解生命過程的重要工具。對我而言，除了物理、化學(xué)計量領(lǐng)域以外，生物領(lǐng)域?qū)τ嬃恳蔡岢隽司薮筇魬?zhàn)，即我們?nèi)祟愑卸嗝聪嗨?？又有多么不同？我們的思維是如何工作的？我認(rèn)為量子技術(shù)可以成為我們回答這些問題的工具。

　　烏爾里希：還有醫(yī)療傳感。新的醫(yī)療檢測設(shè)備，也將對計量產(chǎn)生廣泛需求。目前，我們要對德國的各項血液指標(biāo)的正確性負(fù)責(zé)。我們正在監(jiān)督3000個實驗室，但只是（血液指標(biāo)中的）二十幾個值。在未來，你需要測量身體的數(shù)百個值才能了解自身的健康狀態(tài)。我最近剛看過這樣的電影，每天早上當(dāng)你上廁所的時候可以對自己的各項指標(biāo)進(jìn)行測量，看看身體是否健康，狀態(tài)怎么樣。這一天終將會到來的，所以這些數(shù)據(jù)的可靠性非常重要。因為如果你去看醫(yī)生，他會根據(jù)這些測量結(jié)果做出診斷和治療計劃。如果數(shù)值不正確，你所接受的治療可能是不正確的。

　　鮑舍爾：物理科學(xué)這么多年來一直對生命科學(xué)有很大幫助，但我們現(xiàn)在正在達(dá)到一個使我們能夠理解單個細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的事情的精確水平，并可以將計量結(jié)果應(yīng)用于個性化醫(yī)療上。

　　烏爾里希：例如，在PTB以及NIST，我們正致力于下一代的5G通信，我們都將為此受益。5G通信的頻率很高，傳輸速率也很高，這對工業(yè)界來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，但這對于自動駕駛這樣的應(yīng)用來說很重要，我們必須加快研究速度。

　　鮑舍爾：我想再談?wù)剶?shù)據(jù)管理方面的內(nèi)容。因為據(jù)我了解，在與粒子物理和天文學(xué)等相關(guān)的工作中，會涉及到龐大的數(shù)據(jù)量，也許一天要處理的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于兩年前整個互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的總和。如何從大量不太有用的信息中篩選出高質(zhì)量的信息將是一項挑戰(zhàn)，如何應(yīng)用這些數(shù)據(jù)來支持全球發(fā)展，也將是一項重大挑戰(zhàn)。

　　盡管此次SI修訂不會使單位的大小發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克，但修訂后的4個基本單位將與秒、米、坎德拉一起，提高SI的整體穩(wěn)定性和實用性。就像1967年秒定義的修訂使我們在今天擁有了GPS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一樣。新SI將在未來對科學(xué)、技術(shù)、貿(mào)易、健康、環(huán)境以及更多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

　　中國計量科學(xué)研究院作為中國的國家計量院，始終緊跟國際計量科學(xué)前沿，并在SI基本單位復(fù)現(xiàn)新理論、新方法等方面持續(xù)開展研究。目前，中國計量院已在玻爾茲曼常數(shù)、阿伏伽德羅常數(shù)等基本物理常數(shù)測量，以及量子基準(zhǔn)的建立方面取得了系列突破。特別是該院利用聲學(xué)法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數(shù)，為SI溫度基本單位開爾文的修訂做出了重要貢獻(xiàn)，為我國在新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命中更好地應(yīng)對科技、產(chǎn)業(yè)和民生各大領(lǐng)域的全球性挑戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。