即將到來的2018年11月是國際單位製重新定義的時（shí）間節點，這是自米製公約誕（dàn）生之後計量世界中一個最重大的、革命性的事（shì）件，測量科學由此邁出關鍵（jiàn）的一步，量值統（tǒng）一的途徑進一（yī）步拓展和高效。

一、 米製公約的誕生（shēng）和意義

1.背（bèi）景

18世紀後半期（qī），科（kē）學的發展使得測量的範圍擴展到所有的力學（xué）量、熱工量、電磁學和光學量，各種物理量都選擇合適（shì）的單位，建立起數學關（guān）係加以定義。19世紀後半期，米製已被歐洲、美洲的許多國家接受，把各種單位構成（chéng）邏（luó）輯關係形成一種單位製成為迫切要求[1]。

1875年5月20日 由阿根廷、奧地利-匈牙利、比利時、巴西、丹麥、法（fǎ）國、德國、意大利、秘魯、葡萄牙、俄羅斯、西班牙、瑞典和（hé）挪威、瑞士、土耳其、美國（guó）、委內瑞拉共17個（gè）國家簽署了米製公約。米製公約創立了國際計量大會（CGPM）領導的，由（yóu）國際計量委員會（CIPM）監管的國（guó）際計量局（BIPM）這個政府間組織。截至2018年3月份，米製公約（yuē）有正式（shì）成員國59個，準成員國或（huò）經濟體42個[2]。

國際計量（liàng）局（BIPM）的工作聚焦在世界（jiè）計量事務，特別是關注世界範圍對持續提升的測量精度、日益擴展（zhǎn）的範圍和領域的測量標準的需求。國際計量局領導了（le）國際單位製（zhì）的建立。 

2.意義

米製（zhì）公約的簽署宣（xuān）布了（le）一（yī）個時代的結束，由皇權和王權決定測量單位定義造成測量單位混亂的（de）時代一去不複返了；米製公約的簽署開啟了計量新時代，它通過（guò）普適的符合科（kē）學原理（lǐ）的定義建（jiàn）立（lì）被世界認可的統一的國際單（dān）位製，通過創立（lì）的CGPM,CIPM和BIPM實（shí）現統一世界測量標準的（de）目的。隨（suí）著新時（shí）代的到來，各（gè）國（guó）紛紛建立了國家計量院，各國（guó）對計量（liàng）研究的大量投入進一步促進了計量學的發展。簡（jiǎn）言之，米製公約打破了皇權和王權對（duì）單位定義的壟斷，在科學原理的基礎上（shàng）確立了BIPM和各（gè）國國（guó）家計量院在單位量值建立上的權威。 

　　二、 國際單位製的作用和不足

1、國際單位製的作用

法國大革命期間建立的十進位米製(the decimal metric system)以米和千克（kè）為基礎。根據1875年（nián）«米製公約»的規定（dìng），製（zhì）造了新的米原器和千克原器，並為1889年（nián）第一屆國際計量大會（huì）(CGPM)所正式接受。

國際單位（wèi）製（法語：Système International d'Unités 符號：SI），源自公（gōng）製或米製，舊稱“萬國公製”，是現時世界上最（zuì）普遍采用（yòng）的標準度量衡單位係統，采用十進製進位係統。國際單位製（SI）是國際計（jì）量大會（CGPM）采（cǎi）納和（hé）推（tuī）薦的一種一貫單位製。

1948年第9屆國際（jì）計量大（dà）會根據決議，責成國際計量（liàng）委（wěi）員會（CIPM）“研究並製定一整套（tào）計量單位規則”，力圖建立一種（zhǒng）科學實用的計量單位製。1954年第10屆國際計量大會決議，決定采用長度、質量、時間、電流（liú）、熱力（lì）學溫度和發光強度6個量作為實用計（jì）量單位製（zhì）的基本量。1960年第11屆國際（jì）計量大會按決議，把這種實用計量單位製定名為國際單位（wèi）製，以SI作為國際單位製通用的縮寫符號；製定用於構成倍數和分數單位的詞頭（稱為SI詞頭）、SI導出單位和SI輔助單位的（de）規則以及其他規（guī）定，形成一整套計量單位規則。1971年第14屆國際計量大會決議，決定在前（qián）麵6個量的基礎上（shàng），增加（jiā）“物質的量”作為國際單位（wèi）製的第7個基本（běn）量，並通過了以（yǐ）它們的相應單（dān）位作為國際單位製（zhì）的基本單位。

SI不是固定不變的，而是為適應世界上不斷增加的測量需要而發（fā）展的，這些測量包括與科學、技術和人類活動相關的所有領域和所有準確度水平。目前七個基本單位的定義[3][4]如下（xià）：

隨著國際單（dān）位製的建（jiàn）立，各國國家計量院分別（bié）依據定義複現本國的單位基準量值，在國（guó）際間開展國際比對確（què）保基準量值的等效，在各自國內依靠本國的計量體係開展量值傳遞，保障（zhàng）國內量值統一。國際單（dān）位製的應用大大地促進了科學與經濟社會的發展。1999年由各國家計量院院長簽（qiān）署的“國家計量（liàng）院間國家計量標準和校（xiào）準證（zhèng）書互認協議（CIPM MRA） ”， 實現了一次校準全球有效的目標，從國（guó）家技術基礎層麵支撐了經濟全球化的發展。

2、不足

隨（suí）著科學（xué）技術的不斷發展，國際單位製凸現了由於定義（yì）帶來的缺陷（xiàn）[5]。千克被定義為（wéi）國際千克原器（qì）（高（gāo）和（hé）底麵直徑均為39毫米的正圓柱體）的質量。實際上，根據國際計量局的（de）官方數據，在1889-1989年的（de）100年間其（qí）他千克原器與國際（jì）千克原（yuán）器比較，在質量（liàng）一致性上發生（shēng）了約0.05毫克的（de）變（biàn）化。

開爾文（wén）被定義為水三相點熱力學溫度（dù）的273.16分之一，但是水三相點關鍵比對結果顯示，水中氫氧同位（wèi）素豐度隨水源、蒸餾工藝過程不同會有明顯差異一，因而造成水三相點（diǎn）的不同；三相點（diǎn）容器長期存放（fàng），器壁鈉元素會（huì）汙染純（chún）水，這些因素都致使實際複現的水三相點有可能偏離開爾文定義值。

秒在1967年（nián）之前被定義為平太陽日的1/86400的時間長度。基於地球自轉（zhuǎn）的平太（tài）陽日由天文觀測決定,但是天文學家發現（xiàn）地球的自轉和公轉運動（dòng）的周期不是恒定不變的，而是時快（kuài）時慢。如果地球轉速不同，“一天”的長度就（jiù）不同，“一秒”的長度也不同。

三、 單位製重新（xīn）定義

　　1、 重新定義的（de）過程

隨著科學技術的發（fā）展，尤其（qí）是量子（zǐ）物理（lǐ）理論的發展，基本單位的定義被逐個量子化。1960年，第十一屆國際計量大會上正（zhèng）式批準廢除鉑（bó）銥米原器，將米定義改為：“米等（děng）於86Kr原子的2p10和5d5能級間的躍遷所對應的輻射在真空中波長的1 650 763.73個波長的長度”。

1967年，第十三屆國際計量大會（huì）通（tōng）過了基於銫原子躍遷的新的秒（miǎo）定義，即：銫133原子基態的（de）兩個超精細（xì）能階間躍遷對應輻射的9,192,631,770個周期的持續時間。

1983年第十七屆國際計量大會又對米進行了進一步的定義：“米（mǐ）等於光在真空（kōng）中299792 458 分之一秒的時間間（jiān）隔（gé）內所經路徑（jìng）的長度”。該定義隱含了光速值c=299 792 458m/s，這是一個沒有誤差的定義值（zhí）。

可以說單（dān）位定義的常數化從上世紀60年代（dài）拉開（kāi）了序曲。米（mǐ）和秒這兩個單位的量子化定義極大的提升了測量的精度和範圍，米定義使測量（liàng）精度提高了近10000倍，由此極大推動了精（jīng）密製造技術的提升和數字化控製技術的大範（fàn）圍（wéi）應（yīng）用;秒定義使測（cè）量精度提高了1000萬倍以上，實現了衛星導航定位，成就了數萬億（yì）美元的衛星導航定位產品與服務市場。

時間和長度（dù）單位計（jì）量量子化的（de）成功，不斷催生其它計量單位的重新定義。國際計量委員會於2005年提議，將其（qí）餘幾個（gè）基本單位全（quán）部定義在基本物（wù）理（lǐ）常數上，從而改變基本單位自有定義以來，依賴於實物的曆史。第（dì）24屆國際計量大會正式批準七個基（jī）本單（dān）位定義在基本常數上的建議。目前全麵實現國際計量單位量子化定義的條件已經基本具備，第26屆國際計量大（dà）會將於2018年11月對新的（de）國際計量單（dān）位定義進行表決。表決通（tōng）過後，2019年5月20日“世界計（jì）量日”起將正式實施全麵重新定義的國際計量單位製。

　　2、 重新定義的內容

此次重新定義的基本（běn）單位為四個：千（qiān）克、開爾文（wén）、安培和摩爾千克將定義為“對應普朗克常數為6.626070147×10-34 J s時的質量單位”；開爾文將（jiāng）定義為（wéi）“單位係統（tǒng）內微觀粒子熱運動動能發生（shēng）1.3806497×10–23焦耳（ěr）變化的熱力學（xué）溫度的（de）改變”；安培將定義為“單位時間內通過（guò）1/1.6021766338×10–19個電子對應的（de）電（diàn）流”；摩爾將定義為“精確包含6.022140761×1023個原子或分子等基本單元的係（xì）統的（de）物質的量”。

重（chóng）新定義之後，國際單位製的7個基本量中的6個實現了以定義常數和物理常數定義，量值（zhí）的實現進入了基於量子物理的量子化時代。

四、 單位製重新定義的特點和影響

1、特點

國（guó）際單位製重新（xīn）定義的特點是“計（jì）量單位量子（zǐ）化”和（hé）“量值傳（chuán）遞扁平化”，給建立在傳統量值傳遞體係上的國際計量院和各級計量機構帶來了衝擊和機遇。

以量子技術和基本物理常（cháng）數為基礎，對國際（jì）計量單位製重新定義（yì），通（tōng）過全麵采用量子（zǐ）計量基準，將大幅提高測量精度和穩（wěn）定性。重新定義開啟了任意時刻、任意地點、任（rèn）意主體根據定（dìng）義實（shí）現單位量值的大門。因（yīn）此可以說重新定義開啟了一（yī）個突破（pò）權威的（de）時（shí）代（dài）。

重新定義使得計（jì）量基標準與信息技術相結合，實現量值傳（chuán）遞（dì）的鏈路不唯一和扁平化，使量值溯（sù）源鏈條更短、速度更快、測量結果（guǒ）更（gèng）準更穩（wěn），將徹底改變過去依靠實物基準逐級傳遞的（de）計量模式，解決了費時費力、效率低下（xià）、誤差（chà）放大等問題。

重新定義後（hòu），量子計量標準可以直接應用到各種科技和生產活動現場，進（jìn）行最佳測量和原地實時校準，大大節約生產成（chéng）本，顯著提升產品（pǐn）質量，由此可能觸發重大科技創新和顛覆性技（jì）術的誕生。

2、影響

國際單位（wèi）製（zhì）重新定義在測量準確度、測量範圍等（děng）方麵取得（dé）技術上的突破進展，而且將使全球測量體係發生重構，形成多級溯源中（zhōng）心和扁平化（huà）溯源甚（shèn）至零鏈條的溯源體係，更將對管理體係、國家治理（lǐ）體係、對人的傳（chuán）統觀念帶來重大影響和挑戰。

一是（shì）將改變國際計量體係和現有格局[6]。新的計量體係不再依賴於通過實物（wù）基準向各國傳遞（dì）量值，打破了由國際計量局作為全球測量體係量值傳遞源頭的單極中心局（jú）麵，將形成一部分先進國家為主體的多級全球中心或區域中心。如能搶占技術製（zhì）高點，主（zhǔ）動布局，就（jiù）可以在這一輪激烈競爭中脫（tuō）穎而出，形成區域乃至全球計量體係的重要一極。反之，就要依賴（lài）於他國，進而喪失發展主導權和控製權。

二是將顯著提升國（guó）家（jiā）計量管理效能。新的國際（jì）計量單位製使得單位量值可（kě）隨時隨地複現，將最準“標尺”直（zhí）接應用於生產生活，大幅縮短量值傳遞鏈。這將推動（dòng）傳統的以行政層級和行政（zhèng）區劃為特征、以實物計（jì）量（liàng）器具為主（zhǔ）體的計量（liàng）管（guǎn）理模式的改（gǎi）革創新，釋放計量量子化變（biàn）革效能。無時無處不在的最佳測量，直接（jiē）有助於人們的公（gōng）平交易、放心消費、安全醫療等，也有利於大幅提升質量水平，促進誠信建設，降低社會成本，有力保障和改善民生（shēng）。

三是將有力支撐新一輪工（gōng）業革命。國際單（dān）位（wèi）製重新定義這一變革深度契合了以（yǐ）信息物理係統為基礎（chǔ）、智能製造為主要特征的新一輪工業革命。通過嵌入芯片級量子計量基準，把最高測量精度直接（jiē）賦予製（zhì）造設備並（bìng）保持長期穩定，可（kě）以實（shí）現對產品製造過程的（de）準確感知和最佳控製。測量水平的大幅提升，將為突破大型飛機、航空發動機及高檔數控機床、核電裝備等重大裝備的共性關鍵技術與工程化、產業化瓶頸提供支（zhī）撐和保障（zhàng）。

參考文獻：

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2. The Metre Convention, https://www.bipm.org/en/worldwide-metrology/metre-convention/ [EB/OL],2018

3. 陸（lù）袓良等（děng），國際單位製SI簡介[R],2006.

4. Bureau International des Poids et Mesures, The International System of Units (SI)[M], 8th edition，2006

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