標準單位重新定義 明年五月正式實施

巴黎時間11月16日13時左右，在凡爾賽會議中心舉行的第26屆國際計量大會上，53個國際計量局（BIPM）正式成員國的代表為國際單位制（SI）修訂投出了莊嚴一票，通過了關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。SI基本單位中的千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA定義，國際測量體系有史以來第一次全部建立在不變的常數上。

第26屆國際計量大會現場（來源：中國計量科學研究院）

為什麼要修改這些基本單位的定義，其實就一句話：讓標準更標準！國際單位制基本單位是一系列由物理學家訂定的基本標準單位，縮寫為SI，由1960年10月第11屆國際計量大會確定。國際單位制共有七個基本物理量，簡稱基本量，相應的單位被稱為基本單位，分別為長度（單位：米，m）、時間（單位：秒，s）、質量（單位：千克，kg）、熱力學溫度（開爾文溫度）（單位：開，K）、電流（單位：安培，A）、光強度（單位：坎德拉，cd）、物質的量（單位：摩爾，mol）。其他的物理量可以根據這幾個量來定義，或借方程表示出來。這幾個基本單位是不是「准」，直接決定了全世界是否有統一和標準的話語體系，其重要性不言而喻。顯而易見，最好拿一些常數通過必要的數學運算得到這些基本單位，然而在自然科學中，有著許多常數，但並不意味著常數一定是「常」的。有的常數是不變的，有的常數是變化的。比如說天文學裡很著名的「哈勃常數」，其實是指在某個特定時期或指當前宇宙的膨脹速率，而在宇宙的不同階段，「哈勃常數」是不一樣的。如果沒有合適的常數，那就只能製作一套「標準原器」，用來指示標準——當別的東西不知大小、多少或輕重，只要與「標準原器」來進行比較，它說了算。但是，萬一「標準原器」本身存在著變化，那該如何是好？

在法國科學工業城（Cité des Sciences et de l"Industrie）展出的大 K 複製品。（來源：Wikipedia）

長期以來各種單位就遭遇過這個問題，因為最初都是以某個或某些特定的實體作為標準。比如 1791 年將長度單位「米」定義為巴黎和地球南北極的經圈的1/4（地球周長）的一千萬分之一。陸陸續續地，這些基本單位都找到了合適的常數，如今只剩下了質量（千克）。自從1889年起，全世界的質量度量標準都以國際千克原器「大K」（Le Grand K）為參照，這是一個鉑-銥合金圓柱體，被保存在位於法國巴黎的國際度量衡局（InternationalBureau of Weights and Measures，BIPM）的地下室里，受到重重保護，待遇堪比儲備黃金。事實上許多國家也都保存著各自的千克原器，它們都要與「大K」進行參照和比對。大概每隔30年，計量專家都會小心翼翼地從地下室取出大K進行清潔，然後與同樣保存在地下室的其他六個官方副本（被稱為temoins，意為「證人」）進行比較，以確定全球質量標準。然而第二次世界大戰之後的一次測量和1992年的一次測量，連續兩次顯示副本比大K略重。這讓測量局大吃一驚，副本質量同時增加的可能性很低，因此一個更有可能的解釋是，「國際千克原器正在丟失質量」。但是，更要命的是，大K實在太寶貴了，沒有人也沒有好辦法在不影響它的質量的情況下進行任何測試，連百萬分之一的損失也是不能被接受的。因此，這竟然成了無頭公案。於是這個問題促使國際度量衡大會下決定建立新的質量標準。

大K與參照原器之間的質量對比（來源：Wikipedia）

相比一個實物標準，新的千克定義顯得太「高大上」——它將以普朗克常數為基準。（暈不暈？）在量子力學中普朗克常數代表了能量的最小單位，但是不管微觀層面還是宏觀層面能量都可以被測量。具體來說，要使用到一個被稱為基布爾秤（Kibble』s balance）的神奇。基布爾秤以發明者賴恩·基布爾（Bryan Kibble）命名，是一種極其複雜的裝置，它的秤盤底部安裝了線圈，下方是超導電磁鐵。它有兩種不同的工作模式，「稱量模式」（weighing mode）中，電流通過線圈產生感應磁場，與下方磁體互斥，托起秤盤上的物體，這時可以測量相關參數，得出物體的重量；「速度模式」（velocity mode）中，秤盤上不放物體，由電機牽引秤盤在磁場中勻速上升，在線圈中產生一個感應電壓，藉助約瑟夫森效應（Josephson effect）和馮·克里青常數（Von Klitzing constant），計算量子化的電壓和電阻值，質量單位和普朗克常數會被神奇地聯繫到同一個方程中。總之，利用基布爾秤可以實現普朗克常數和質量的互換。

美國國家標準技術研究院的基布爾秤（來源：Wikipedia）

基布爾秤工作原理（來源：NIST；翻譯：科研圈）

新的國際單位制基本單位全部由7個十分精確的常數來定義，反過來說，這幾個常數的單位必須全部都是基本單位：

普朗克常數 h = 6.62607015×10?34kg?m2/s

玻爾茲曼常數 k = 1.380649×10?23kg?m2/K?s2

阿伏加德羅常數 NA= 6.02214076×1023mol?1

光速 c = 299792458 m/s

Kcd = 683 cd?sr?s3/(kg?m2)

秒（s）：通過銫原子基態未擾動的兩個超精細能級之間躍遷電磁頻率來定義，頻率被表示為9192631770Hz，Hz = s-1。

米（m）：通過真空中的光速c來定義，光速被表示為299792458m/s，其中s由銫原子頻率ΔνCs決定。

千克（kg）：通過普朗克常數h來定義，普朗克常數被表示為6.62607015×10?34kg?m2?s?1，其中m和s由光速c和銫原子頻率ΔvCs決定。

開爾文（K）：通過玻爾茲曼常數k來定義，玻爾茲曼常數被表示為 1.380649×10?23J?K?1，J?K?1=kg?m2?s?2?K?1，其中m和s由光速c和銫原子頻率ΔνCs決定。

摩爾（mol）：1摩爾含有6.02214076×1023基本單元組成，數值上等於阿伏加德羅常數NA，阿伏加德羅常數被表示為6.02214076×1023mol?1。

坎德拉（cd）：由頻率為540×1012Hz的單色光的發光效率來定義，取值為683lm?W?1，lm?W?1=cd?sr?W?1=cd?sr?kg?1?m?2?s3，其中sr為無量綱的球面度，kg、m和s由普朗克常數h、光速c和銫原子頻率ΔνCs決定。

有心的人會發現，所有的基本單位都來源於對於秒的定義！這也充分體現出當今世界多麼依賴於對時間的精確測量！同時，這些調整也反映出相對論和量子力學是物理世界不容置疑的兩大支柱。由於現在對這些常數的測量精度已經高到「令人髮指」的程度了，比方說美國技術標準局利用瓦特天平測量儀已經將普朗克常數的測量精度從去年的3.4×10-8提高到1.3×10-8，因此足以滿足當前需求了，甚至有人認為使用1萬年都無需調整。新的定義將於2019年5月20日起正式實行，屆時恐怕全世界的教科書都要改寫了。

舊的標準單位體系與新的標準單位體系對照（來源：Wikipedia）

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