中国计量网 //www.79tv8.cn/
复式连码计算
计量资讯速递
您当前的位置: 复式连码计算 > 新闻 > 世界计量日

复式二中二连码:国际计量委员会委员段宇宁谈国际单位制的重新定义

发布时间:2019-03-01 作者:段宇宁 吴金杰 来源:《中国计量》杂志2018年第5期 浏览:206

复式连码计算 www.79tv8.cn

即将到来的2018年11月是国际单位制重新定义的时间节点,这是自米制公约诞生之后计量世界中一个最重大的、革命性的事件,测量科学由此迈出关键的一步,量值统一的途径进一步拓展和高效。

一、 米制公约的诞生和意义

1.背景

18世纪后半期,科学的发展使得测量的范围扩展到所有的力学量、热工量、电磁学和光学量,各种物理量都选择合适的单位,建立起数学关系加以定义。19世纪后半期,米制已被欧洲、美洲的许多国家接受,把各种单位构成逻辑关系形成一种单位制成为迫切要求[1]。

1875年5月20日 由阿根廷、奥地利-匈牙利、比利时、巴西、丹麦、法国、德国、意大利、秘鲁、葡萄牙、俄罗斯、西班牙、瑞典和挪威、瑞士、土耳其、美国、委内瑞拉共17个国家签署了米制公约。米制公约创立了国际计量大会(CGPM)领导的,由国际计量委员会(CIPM)监管的国际计量局(BIPM)这个政府间组织。截至2018年3月份,米制公约有正式成员国59个,准成员国或经济体42个[2]。

国际计量局(BIPM)的工作聚焦在世界计量事务,特别是关注世界范围对持续提升的测量精度、日益扩展的范围和领域的测量标准的需求。国际计量局领导了国际单位制的建立。 

2.意义

米制公约的签署宣布了一个时代的结束,由皇权和王权决定测量单位定义造成测量单位混乱的时代一去不复返了;米制公约的签署开启了计量新时代,它通过普适的符合科学原理的定义建立被世界认可的统一的国际单位制,通过创立的CGPM,CIPM和BIPM实现统一世界测量标准的目的。随着新时代的到来,各国纷纷建立了国家计量院,各国对计量研究的大量投入进一步促进了计量学的发展。简言之,米制公约打破了皇权和王权对单位定义的垄断,在科学原理的基础上确立了BIPM和各国国家计量院在单位量值建立上的权威。 

  二、 国际单位制的作用和不足

1、国际单位制的作用

法国大革命期间建立的十进位米制(the decimal metric system)以米和千克为基础。根据1875年?米制公约?的规定,制造了新的米原器和千克原器,并为1889年第一届国际计量大会(CGPM)所正式接受。

国际单位制(法语:Système International d'Unités 符号:SI),源自公制或米制,旧称“万国公制”,是现时世界上最普遍采用的标准度量衡单位系统,采用十进制进位系统。国际单位制(SI)是国际计量大会(CGPM)采纳和推荐的一种一贯单位制。

1948年第9届国际计量大会根据决议,责成国际计量委员会(CIPM)“研究并制定一整套计量单位规则”,力图建立一种科学实用的计量单位制。1954年第10届国际计量大会决议,决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度6个量作为实用计量单位制的基本量。1960年第11届国际计量大会按决议,把这种实用计量单位制定名为国际单位制,以SI作为国际单位制通用的缩写符号;制定用于构成倍数和分数单位的词头(称为SI词头)、SI导出单位和SI辅助单位的规则以及其他规定,形成一整套计量单位规则。1971年第14届国际计量大会决议,决定在前面6个量的基础上,增加“物质的量”作为国际单位制的第7个基本量,并通过了以它们的相应单位作为国际单位制的基本单位。

SI不是固定不变的,而是为适应世界上不断增加的测量需要而发展的,这些测量包括与科学、技术和人类活动相关的所有领域和所有准确度水平。目前七个基本单位的定义[3][4]如下:


随着国际单位制的建立,各国国家计量院分别依据定义复现本国的单位基准量值,在国际间开展国际比对确?;剂恐档牡刃?,在各自国内依靠本国的计量体系开展量值传递,保障国内量值统一。国际单位制的应用大大地促进了科学与经济社会的发展。1999年由各国家计量院院长签署的“国家计量院间国家计量标准和校准证书互认协议(CIPM MRA) ”, 实现了一次校准全球有效的目标,从国家技术基础层面支撑了经济全球化的发展。

2、不足

随着科学技术的不断发展,国际单位制凸现了由于定义带来的缺陷[5]。千克被定义为国际千克原器(高和底面直径均为39毫米的正圆柱体)的质量。实际上,根据国际计量局的官方数据,在1889-1989年的100年间其他千克原器与国际千克原器比较,在质量一致性上发生了约0.05毫克的变化。

开尔文被定义为水三相点热力学温度的273.16分之一,但是水三相点关键比对结果显示,水中氢氧同位素丰度随水源、蒸馏工艺过程不同会有明显差异一,因而造成水三相点的不同;三相点容器长期存放,器壁钠元素会污染纯水,这些因素都致使实际复现的水三相点有可能偏离开尔文定义值。

秒在1967年之前被定义为平太阳日的1/86400的时间长度?;诘厍蜃宰钠教羧沼商煳墓鄄饩龆?但是天文学家发现地球的自转和公转运动的周期不是恒定不变的,而是时快时慢。如果地球转速不同,“一天”的长度就不同,“一秒”的长度也不同。

三、 单位制重新定义

  1、 重新定义的过程

随着科学技术的发展,尤其是量子物理理论的发展,基本单位的定义被逐个量子化。1960年,第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器,将米定义改为:“米等于86Kr原子的2p10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1 650 763.73个波长的长度”。

1967年,第十三届国际计量大会通过了基于铯原子跃迁的新的秒定义,即:铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

1983年第十七届国际计量大会又对米进行了进一步的定义:“米等于光在真空中299792 458 分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。该定义隐含了光速值c=299 792 458m/s,这是一个没有误差的定义值。

可以说单位定义的常数化从上世纪60年代拉开了序曲。米和秒这两个单位的量子化定义极大的提升了测量的精度和范围,米定义使测量精度提高了近10000倍,由此极大推动了精密制造技术的提升和数字化控制技术的大范围应用;秒定义使测量精度提高了1000万倍以上,实现了卫星导航定位,成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。

时间和长度单位计量量子化的成功,不断催生其它计量单位的重新定义。国际计量委员会于2005年提议,将其余几个基本单位全部定义在基本物理常数上,从而改变基本单位自有定义以来,依赖于实物的历史。第24届国际计量大会正式批准七个基本单位定义在基本常数上的建议。目前全面实现国际计量单位量子化定义的条件已经基本具备,第26届国际计量大会将于2018年11月对新的国际计量单位定义进行表决。表决通过后,2019年5月20日“世界计量日”起将正式实施全面重新定义的国际计量单位制。

  2、 重新定义的内容

此次重新定义的基本单位为四个:千克、开尔文、安培和摩尔千克将定义为“对应普朗克常数为6.626070147×10-34 J s时的质量单位”;开尔文将定义为“单位系统内微观粒子热运动动能发生1.3806497×10–23焦耳变化的热力学温度的改变”;安培将定义为“单位时间内通过1/1.6021766338×10–19个电子对应的电流”;摩尔将定义为“精确包含6.022140761×1023个原子或分子等基本单元的系统的物质的量”。

重新定义之后,国际单位制的7个基本量中的6个实现了以定义常数和物理常数定义,量值的实现进入了基于量子物理的量子化时代。

四、 单位制重新定义的特点和影响

1、特点

国际单位制重新定义的特点是“计量单位量子化”和“量值传递扁平化”,给建立在传统量值传递体系上的国际计量院和各级计量机构带来了冲击和机遇。

以量子技术和基本物理常数为基础,对国际计量单位制重新定义,通过全面采用量子计量基准,将大幅提高测量精度和稳定性。重新定义开启了任意时刻、任意地点、任意主体根据定义实现单位量值的大门。因此可以说重新定义开启了一个突破权威的时代。

重新定义使得计量基标准与信息技术相结合,实现量值传递的链路不唯一和扁平化,使量值溯源链条更短、速度更快、测量结果更准更稳,将彻底改变过去依靠实物基准逐级传递的计量模式,解决了费时费力、效率低下、误差放大等问题。

重新定义后,量子计量标准可以直接应用到各种科技和生产活动现场,进行最佳测量和原地实时校准,大大节约生产成本,显著提升产品质量,由此可能触发重大科技创新和颠覆性技术的诞生。

2、影响

国际单位制重新定义在测量准确度、测量范围等方面取得技术上的突破进展,而且将使全球测量体系发生重构,形成多级溯源中心和扁平化溯源甚至零链条的溯源体系,更将对管理体系、国家治理体系、对人的传统观念带来重大影响和挑战。

一是将改变国际计量体系和现有格局[6]。新的计量体系不再依赖于通过实物基准向各国传递量值,打破了由国际计量局作为全球测量体系量值传递源头的单极中心局面,将形成一部分先进国家为主体的多级全球中心或区域中心。如能抢占技术制高点,主动布局,就可以在这一轮激烈竞争中脱颖而出,形成区域乃至全球计量体系的重要一极。反之,就要依赖于他国,进而丧失发展主导权和控制权。

二是将显著提升国家计量管理效能。新的国际计量单位制使得单位量值可随时随地复现,将最准“标尺”直接应用于生产生活,大幅缩短量值传递链。这将推动传统的以行政层级和行政区划为特征、以实物计量器具为主体的计量管理模式的改革创新,释放计量量子化变革效能。无时无处不在的最佳测量,直接有助于人们的公平交易、放心消费、安全医疗等,也有利于大幅提升质量水平,促进诚信建设,降低社会成本,有力保障和改善民生。

三是将有力支撑新一轮工业革命。国际单位制重新定义这一变革深度契合了以信息物理系统为基础、智能制造为主要特征的新一轮工业革命。通过嵌入芯片级量子计量基准,把最高测量精度直接赋予制造设备并保持长期稳定,可以实现对产品制造过程的准确感知和最佳控制。测量水平的大幅提升,将为突破大型飞机、航空发动机及高档数控机床、核电装备等重大装备的共性关键技术与工程化、产业化瓶颈提供支撑和保障。


参考文献:

1. 李慎安,计量单位制的发展[J],《中国计量》 ,2003 (7) :36-38

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

3. 陆袓良等,国际单位制SI简介[R],2006.

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

5. 七个基本单位重新定义相关情况调研报告[R],中国计量科学研究院内部报告

6. 段宇宁,计量新趋势[J], 《中国计量》 , 2013 (2) :5-7

分享到:
通知 我要购买 我要购买
公告 计量宣传资料 计量宣传资料
所有产品 个人中心 购物车 返回顶部
会员注册
已有账号,
会员登陆
完善信息
找回密码
  • 方苞:徜徉于南京乌龙潭畔的桐城大才子【图文】 2019-05-23
  • 比利时VS巴拿马首发公布 卡拉拉斯、维特塞尔中超双子星在列 2019-05-22
  • 他是国内第一个系统论述“科学精神”的人 2019-05-21
  • 民宿由“乱”到“治”还需规范加码 2019-05-21
  • 再看你一眼!即将消失的老纺织厂 2019-05-20
  • 既然主贴跟帖都不给发 那我就让管理彻底一边倒去吧,我也彻底休息了。 2019-05-20
  • 习近平:我们反对任何形式的贸易保护主义 2019-05-19
  • 上海 用 “大数据”解决企业身份证 2019-05-19
  • 楼市数据连降十月后现反弹 高投资难为继须防资金风险 2019-05-17
  • 当前金融市场流动性合理稳定 2019-05-10
  • 人民日报驻美记者高石:美国急于将空袭打造为特朗普政府政绩 2019-05-09
  • 南昌一女子点击“网购理赔链接”被贷款6.5万元 2019-05-09
  • 国家人社部“支持鄱阳湖生态经济区建设专家服务上饶行”活动启动 雷平出席活动并致辞 2019-05-03
  • 老师:讲课再累都不怕 就怕各级搞检查讲课再累都不怕-教育时讯 2019-05-03
  • 高校捞的大鱼吃不成了400公斤不够分 卖了买鱼苗 2019-05-02
  • 650| 917| 740| 132| 939| 645| 731| 571| 388| 533|