丈量宇宙的七把“尺子”：你了解这些国际单位制吗？

国际单位制基本单位是现代科学和技术测量体系的基石。它们是由国际单位制（SI，来自法语'Système International d'Unités'）为七个基本物理量制定的标准测量单位。这七个基本单位构成了一个完整的体系，所有其他的测量单位都可以从它们派生出来。

这七个基本单位分别是：

• 秒（second，符号：s）：测量时间
• 米（metre，符号：m）：测量长度或距离
• 千克（kilogram，符号：kg）：测量质量
• 安培（ampere，符号：A）：测量电流
• 开尔文（kelvin，符号：K）：测量热力学温度
• 摩尔（mole，符号：mol）：测量物质的量
• 坎德拉（candela，符号：cd）：测量发光强度

打个比方，这七个基本单位就像是乐高积木的基础块，所有复杂的乐高模型（其他物理量的单位）都可以通过组合这些基础块来构建。例如，力的单位牛顿（N）可以表示为 kg·m/s²，功率的单位瓦特（W）可以表示为 kg·m²/s³。

▲ 七个SI基本单位及其定义的相互依赖性：例如，从光速中提取米的定义，必须知道秒的定义，至于安培和坎德拉都依据能量来定义，而能量则依据长度、质量和时间来定义(图自维基)

这些基本单位是现代计量学的核心，也是全球科学交流和技术发展的共同语言。无论你身在世界哪个角落，一米的长度、一秒的时间都是完全相同的，这就保证了科学数据的可比性和技术标准的一致性。

名称与符号的书写规则

SI 基本单位的名称和符号有特定的书写规则。单位名称通常以小写字母书写，例如'米'、'秒'。单位符号也通常使用小写字母，但有一个重要例外：如果单位是以人名命名的，那么它的符号就用大写首字母。

例如：

• 米（metre）的符号是小写的 m
• 开尔文（kelvin）的符号是大写的 K，因为它是以英国物理学家威廉·汤姆森（Lord Kelvin，开尔文勋爵）命名的
• 安培（ampere）的符号是大写的 A，因为它是以法国物理学家安德烈-马里·安培命名的

2019 年的重大革新：基于自然常数的定义

2019 年 5 月 20 日是计量史上的一个里程碑。在这一天，国际计量局（BIPM）正式启用了全新的 SI 基本单位定义，完成了国际单位制的重大修订。这次修订的核心思想是：不再依赖于人造物体或特定的测量条件，而是基于自然界中的基本常数来定义所有基本单位。

七个基本单位的现代定义

让我们逐一了解这些基本单位的现代定义及其历史由来：

秒 (s) - 时间的标准

现代定义：秒是铯-133 原子的未受干扰的基态超精细跃迁频率（）的 9,192,631,770 个周期所持续的时间。

历史由来：人类最早的时间单位来自天文观测。一天被分为 24 小时，每小时 60 分钟，每分钟 60 秒，因此一秒最初被定义为平均太阳日的 1/86,400。随着科技进步，这种定义的精度已经不能满足现代科学需求，因此转向了原子钟技术。

【译者】：铯原子钟的精度之高令人惊叹——如果一个铯原子钟从大爆炸开始一直运行至今（约 138 亿年），其累积误差不会超过一秒！这种超高精度让卫星导航系统（如 GPS）、互联网同步、电力网络等现代技术成为可能。

米 (m) - 长度的标准

现代定义：米是光在真空中 1/299,792,458 秒内传播的距离。

▲ 阿姆斯特丹国立博物馆（Rijksmuseum, Amsterdam）馆藏荷兰历史上用于度量衡的“公制标准”复制品。这些标准器是按照18世纪末法国最早制定公制时的原型制作的，用于确保荷兰的长度、质量和体积的测量与国际一致(图自维基)

历史由来：米最初被定义为从地球赤道到北极经过巴黎的子午线弧长的一千万分之一。1889 年，人们制造了铂铱合金米原器作为标准。1960 年，米被重新定义为氪-86 特定辐射波长的 1,650,763.73 倍。1983 年采用了基于光速的现代定义。

【译者】：有趣的是，当科学家定义米时，实际上是'倒过来'的——固定了光速的数值（恰好是 299,792,458 m/s），然后用它来定义米。这意味着光速现在是一个精确的数，没有测量不确定性。

千克 (kg) - 质量的标准

现代定义：千克通过固定普朗克常数（h）的数值为  J·s 来定义。

历史由来：千克最初被定义为 0°C 时 1 立方分米（1 升）纯水的质量。1889 年，一个名为'国际千克原器'（IPK）的铂铱合金圆柱被制造出来，并被保存在巴黎附近的国际度量衡局。直到 2019 年，千克都是唯一一个仍然基于物理制品的基本单位。

图为国际千克原器的电脑图像（CG）。国际千克原器就是千克。旁边是一把以英寸为单位的间尺。国际千克原器以铂铱合金制成，现存放于法国巴黎郊区的国际计量局（BIPM）。跟其他原器一样，国际千克原器的边缘上各有一道四角凹槽，作用是将腐蚀最小化（虽然图中只能看见当中的三个角）——图自维基

【译者】：国际千克原器存放国际计量局（BIPM）位于巴黎郊区的总部下层的储藏室内，有环境监控的保险箱里。尽管如此，科学家们发现它的质量似乎随时间略有变化（相对于其他质量标准）。这种不稳定性是促使科学界寻找基于自然常数的新定义的主要原因之一。新定义通过与普朗克常数的关联，保证了千克定义的长期稳定性。

安培 (A) - 电流的标准

现代定义：安培通过固定基本电荷（e）的数值为  C 来定义。

历史由来：最初的'国际安培'是通过电化学效应定义的——即从硝酸银溶液中每秒沉积 1.118 毫克银所需的电流。后来，安培被重新定义为平行导线间的电磁力。

【译者】：安培的原始定义基于实验室中的化学反应。如果两个实验室条件略有不同（如温度、溶液浓度等），测量结果就会有差异。现代定义基于自然界中电子的基本电荷，这在宇宙任何地方都是完全相同的，无论是在地球上的实验室，还是在火星上的研究站。

开尔文 (K) - 温度的标准

现代定义：开尔文通过固定玻尔兹曼常数（k）的数值为  J/K 来定义。

历史由来：开尔文温标最初基于水的三相点（即水同时以固态、液态和气态共存的温度），规定其为 273.16 K。

【译者】：开尔文温标的零点是绝对零度（约-273.15°C），理论上是物质分子热运动完全停止的温度点。在这个温度下，物质包含的热能达到最小可能值。根据热力学第三定律，绝对零度无法通过有限步骤的操作达到，这是自然界的一个基本限制。

摩尔 (mol) - 物质量的标准

现代定义：摩尔是包含恰好  个基本实体的物质的量。这个数字被称为阿伏加德罗数。

历史由来：摩尔概念源于化学计量学，用于比较不同物质中粒子的数量。

坎德拉 (cd) - 发光强度的标准

现代定义：坎德拉是给定方向上频率为  赫兹的单色辐射源的发光强度，该辐射源的辐射强度为(1/683)瓦特/球面度。

历史由来：坎德拉源自对标准蜡烛发出的光的测量，因此其名称在拉丁语中意为'蜡烛'。

一个普通的蜡烛发出的光大约是一坎德拉。而一个典型家用 LED 灯泡可能发出 600-800 坎德拉的光。坎德拉作为基本单位的独特之处在于它考虑了人眼对不同波长光的敏感度，因此它是一个'生理'单位，而不仅仅是一个纯物理单位。

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  原文：en.wikipedia.org/wiki/SI_base_unit
  

  翻译：【科学演绎法】译制，并补充部分内容/图片