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INTRODUCTION 2018年11月，第26届国际计量大会CGPM有望通过相关决议，对国际单位制（SI）进行修订。这将使SI各个基本量和单位建立在一系列基本物理常数上，从而以更高的稳定性、复现不受时空约束等优势，满足科学探索、技术发展等人类活动在长远未来的需求。如果决议被通过，新SI将于2019年5月20日起正式生效。新SI到底改变了什么？为什么要做出这样的改变？新旧SI更替之际需要我们做好哪些准备？国际计量局（BIPM）梳理并回答了关于新SI最常被问到的16个问题，一起来了解一下吧。 Q：与现行国际单位制（SI）相比，新SI中的7个基本量和单位会发生变化吗？ A：不，它们将保持不变。 Q：SI中相互关联的、具有特定名称和符号的22个导出单位是否会发生变化？ A：不，它们将保持不变。 Q：新SI中，用于表述单位的倍数或因数的前缀名及其符号（例如用“kilo/千”代表103，用“milli/毫”代表10-3等）是否会发生变化？ A：不，这些前缀和符号将保持不变。 Q：新SI单位的大小会发生变化吗？ A：不会。 Q：那么什么发生变化了？ A：新SI中的千克/kg，安培/A，开尔文/K，摩尔/mol将拥有新的定义。新定义经过了精细考量，以保证其生效之时，新单位的大小和旧单位的大小完全一致。 Q：那么修改定义的目是什么？ A：用基本物理常数重新定义千克将确保其具有长期稳定性，从而使其更加可靠。这是现行千克定义所不能保证的。 安培和开尔文的新定义将极大提升与它们相关的质量、电学量以及辐射温度测量的准确度。这将即刻对电学测量产生影响：最准确的电学测量需要依据约瑟夫森效应和量子化霍尔效应——而新的SI单位固定了普朗克常数h和基本电子电荷常数e的数值，这也使约瑟夫森常数和冯·克里青常数具有确切的数值。这将终结电学测量结果必须采用传统电学单位而不是SI单位来表达的局面。 新的开尔文和千克定义将固定辐射能量和热力学温度间转换因子（斯特藩-玻尔兹曼常数）的数值，这将引领温度计量随科技进步。 新的摩尔定义将比现行定义更简单，它将帮助SI的使用者更好理解“物质的量”的本质和单位。 Q：SI中其它三个基本单位秒/s、米/m、坎德拉/cd定义又将如何呢？ A：秒、米、坎德拉的定义将不变，但是它们的表达方式会有一定改变，以与千克、安培、开尔文和摩尔新定义的表达方式相一致。 Q：你们将如何通过固定h的量值来定义千克，或通过固定e的量值来定义安培，诸如此类？你们怎么知道它们应固定到什么值上？如果你们突然发现选择了错误的值会怎么样？ A：我们并不固定——或修订——任何用于单位定义的常数的量值。基本物理常数的量值是天然不变的，我们只是固定每个常数在采用SI单位进行表达时的数值。我们通过固定基本常数的数值来定义常数测量单位的大小。 例如：若c是光速的量值，{c}是它的数值，[c]是单位，使 c = {c} [c] = 299792458 m/s 则量值c是数值{c}和单位[c]的乘积，量值c永远不变。乘数{c}和[c]或许会经由其他方式重选以保障乘积c不变。 1983年，我们决定将数值{c}固定为299792458，并以此定义了速度的单位[c]= m/s。由于时间单位秒/s已经（通过原子跃迁频率）定义了，所以这主要起到了定义长度单位米/m的效果。新定义之所以选择这个数值，是为了保证单位m/s的幅值不变，从而保证新旧单位的连续性。 Q：OK，你们实际上只是固定物理常数在使用新单位表达时的数值。以千克为例，你们选择固定普朗克常数以新单位[h] = kgm2s-1表达时的数值{h}。但问题是，如果在SI修订不久后，有新的实验结果表明你们选择了错误的{h}又该怎么办？ A：在做出改变后，用于现行千克定义的国际千克原器（IPK）的实际质量将通过实验来确定。如果我们选择了“错误的值”，它仅仅意味着新的实验告诉我们IPK的质量在新SI中并不精确等于1 kg了。 虽然这种情况可能看起来好像有问题，但它只会影响宏观的质量测量，不会对原子质量以及其它与量子物理相关的常数的值产生影响。但如果我们仍沿用千克的现行定义，我们将继续承担由参考值（如IPK的质量）不稳定带来的后果——与真实不变的常量如原子质量或普朗克常数相比，它们已被证明会随着时间变化了——尽管没有人确切知道它究竟改变了多少，但可以确定的是自1889年IPK被用于千克定义以来，IPK的质量发生了多达几乘以10-7的变化。新定义的优势在于，我们将知道用于千克定义的常数是真实不变的。 Q：每个被用于单位定义的基本常数都有各自的不确定度；它的值并不能确切得知。但是新SI打算固定它们的确切数值？这是如何做到的？它们的不确定度呢？ A：现行SI将1 kg定义为IPK质量的确切值，其不确定度为零：ur(mIPK) = 0；而普朗克常数的值是通过实验测定的，其相对标准不确定度大约是4.4×10-8，即ur(h)=4.4×10-8。在新的定义中，普朗克常数的值是确定的，不确定度是0，而IPK的质量将通过实验测得，并有约4.4×10-8的相对标准不确定度。也就是说，不确定度并不会在新的定义中消失，只是如下表所示，转移到旧的参考标准上了：
Q：普朗克常数的单位与物理学的作用量(action)单位相同：J s = kgm2s-1。我们如何通过固定普朗克常数的数值来定义千克？ A：固定普朗克常数的数值实际上定义了作用量的单位：J s = kgm2s-1。因为如果我们已经通过固定铯原子超精细能级跃迁频△v(133Cs)hfs的数值定义了秒/s，通过固定真空中光速的数值定义了米/m，那么我们就可以通过固定单位kgm2s-1的幅值来定义单位千克/kg。 Q：新SI 基本单位的定义不是循环定义吗？这并不令人满意吧？ A：不，它们不是循环定义。循环定义是指用定义结果去建立定义。新SI中每个基本单位都是通过指定定义常数的数值来定义的，并没有用结果来建立定义。 Q：新SI中千克的参考常数是普朗克常数h，单位J s = kgm2s-1。如果用一个单位是千克的参考常数来定义它应该会更好理解。这样一来，我们可以说“千克是<某种特定物质>的质量”，如特定数量的碳原子或硅原子质量。这样的定义不是更好吗？ A：这个判断在某种程度上是主观的。需要注意的是用于定义的参考常数并不必须与单位的量值大小相同（尽管对于千克来说这样做在概念上会比较简单）。在现行SI中，我们实际上已经用好几个参考常数定义基本单位了。例如我们利用参考常数——光速c在以m/s为单位时的数值，而非特定的长度来定义米。这个定义在目前看来并无不妥。 尽管用物质的质量作为参考常数定义千克在直觉上更简单，但使用普朗克常数具有其它优势。比如h和e如果按SI修订议案确切地固定下来，那么约瑟夫森常数KJ和冯·克里青常数RK也可以随之固定下来，电磁计量将显著受益。Q：抛开第13个问题的答案，仍然有人质疑用h而不是用碳12的质量m(12C) 作为千克参考定义的合理性。其中一个依据是：用于测定h值的瓦特天平（现称“基布尔天平”）实验需要用到一个操作复杂、造价昂贵的实验装置，而通过XRCD（X射线晶体密度）实验测量硅28原子质量（从而推导到碳12原子质量）则相对简单、便宜。所以选择h而不是m(12C)作为千克定义的参考常数的根本原因是什么？ A：这其实是两个不相关的问题：（1）为什么选择用h而不是用m (12C) 作为定义千克参考常数？（2）问题假定选择h还是m (12C)决定了千克量值将由瓦特天平还是XRCD实验复现；对吗？ 问题（1）：一旦物理常数的数值被固定下来，它不需要、事实上也不能被测量。举例来说，1983年SI以真空中光速c为参考常数重新定义了米，立刻为人类测量光速的悠久历史划上句号。这极大造福了科学与技术进步，其部分原因是光速c涉及到科学技术的众多领域，每当SI推荐的c值发生变化，与之相关、为数众多的常数和转换因数的数值也必须随之更新。现在看来，当时固定c的数值的决议无疑是正确的。 类似的，h是量子物理的基本常数，其SI量值被许多现代科学和技术领域所广泛使用。随着实验水平的提升，更新h的推荐值在最好情况下也是恼人的，在最糟的情况下则令人费解（at best annoying and at worst confusing）。固定h数值的根本原因与定义c类似，但它除此之外还对电学计量有特殊优势，见问题6。 当然，m (12C)不可否认是一个常量，且对于化学和原子物理领域尤其重要——因为原子量（如果你是一个化学家）或称相对原子质量（如果你是一个物理学家）均建立在m (12C)上。尽管如此，原子量并不依赖于现行千克定义，新定义不会对它造成影响。 问题（2）：不是这样的。参考常数的选择与千克的复现方式无关，决议1也并没有提及任何复现方式。我们目前可以确定的是：一旦h成为新千克的参考常数，那么所有的复现方式必须溯源到h。但是，我们同时也确定，h/m (12C) = Q，其中Q是由多个常数因子构成的组合，包括有确切数值定义的常数和需要通过实验测定数值的常数。根据这些常数目前的推荐值计算，Q的相对标准不确定度只有7×10-10。一套直接以h模式测量1千克标准并辅以长度、时间、电压和电阻测量的装置，比如瓦特天平，可以用于复现千克；而以m (12C)模式测量1千克标准的装置，比如X射线晶体密度（XRCD）装置，也是复现千克量值的备选方案之一。这是因为m (12C)Q = h，通过测定m (12C)的方式得到h只需要（在m (12C)测量不确定度基础上）付出合成Q的不确定度的代价，而Q的不确定度（~7×10-10）对于新定义而言可以忽略不计。现在断言哪一种复现方法终将取胜、或不同方法将保持共存都为时尚早。目前所有这些实验装置都是复杂且昂贵的。 Q：如果我们固定了所有基本常数的值，我们还能检验物理学的一致性吗？ A：我们并不固定所有基本常数的值，只是固定其中一部分基本常数及其组合的数值。这样做的效果只是改变单位的定义而非物理学方程，这也不会妨碍研究者检验物理学方程的一致性。 Q：在新SI模式下，我今后送检质量标准或温度计的流程和现在是否一样？ A：是的。大家可以和现在一样将装置送到自己的国家计量院（NMI）校准。各国的国家计量院将通过在当地建立合适的装置、或通过其他能够证明数据可靠性的方式（比如将1千克质量标准送到国际计量局BIPM校准），依照新定义复现量值。BIPM计划通过对所有复现方式（结果）进行加权平均的方式来维持千克定义的溯源性。 来源：国际计量局网站FAQ（2018年10月以前版本，最新版本即将推出） |
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