中國計量科學院院長方向：解讀國際單位制變革

   12月11日，在國際單位制重大變革新聞發布會上，中國計量科學研究院院長方向從技術和應用層面，詳細解讀了國際單位制變革的內容以及意義。 

尊敬的各位嘉賓、女士們、先生們，新聞界的朋友們：

　　大家好！

　　下面我從技術和應用層面出發，介紹此次國際單位制變革的主要內容，解讀新國際單位制的特點和意義，以及它將為人們日常生活乃至國家經濟社會發展帶來的影響。

中國計量科學研究院院長方向

　　國際單位制SI是從“米制”發展起來的國際通用的測量語言，是人類描述和定義世間萬物的標尺。國際單位制規定了7個具有嚴格定義的基本單位，分別是時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”和發光強度單位“坎德拉”。它們好比7塊彼此獨立又相互支撐的“基石”，構成了國際單位制的“地基”。國際單位制規定的其它單位，如力的單位牛頓、電壓單位伏特、能量單位焦耳等等，都可以由這7個基本單位組合導出。

　　日前，第26屆國際計量大會通過了關于修訂國際單位制的決議。國際單位制7個基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷、玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數來定義；另外3個基本單位在定義的表述上也做了相應調整，以與此次修訂的4個基本單位相一致。

　　這使國際單位制的“基石”完全建立在“常數”上，全球測量體系發生了“不變”的“巨變”。

　　對大多數人來說，國際單位制是“不變”的。除電學單位外，新定義下各個單位大小和舊定義幾乎完全一致。事實上，電學單位的改變也微乎其微，電壓單位的變化約為正千萬分之一，電阻單位的變化則更小。但這只會影響對測量不確定度要求最高的頂尖計量機構和校準實驗室，對于普通用戶、產業界人士和多數科研人員來說，新定義不會對他們造成影響，他們的測量結果仍將是連續的。這看上去似乎理所當然，但實際上卻是全球測量科學家數十年潛心研究和通力合作的結果——所有用于基本單位重新定義的“常數”都經過了精確測量與嚴格驗證，從而保障了新單位的大小“不變”。

　　從新定義的深層意義來看，國際單位制的變化無疑又是“巨大”的。

　　首先，新定義用自然界恒定不變的“常數”替代了實物原器，保障了國際單位制的長期穩定性。

   以千克的現行定義為例，1千克精確等于國際計量局保存的國際千克原器（IPK）的質量。據國際計量局數據顯示，國際千克原器服役近130年來，它的質量與各國保存的質量基準、國際計量局官方作證基準的一致性出現了約50微克的偏差，但國際千克原器的質量是否發生了變化，具體變化了多少至今仍是一個謎。用基本物理常數h重新定義千克后，質量單位將更加穩定，我們不必擔心國際千克原器質量漂移可能給全球質量量值統一帶來的問題。

　　測量基礎的長期穩定，對于人類面臨的重大挑戰，特別是環境與氣候變化、地球運動監測等非常重要。我們必須有一個能在很長時間內保持穩定的參考標準，才能獲得可靠的測量數據——而可靠的數據一直是科學研究和政府決策的根基。

　　第二，“定義常數”不受時空和人為因素的限制，保障了國際單位制的客觀通用性。

   物理定律是放之宇宙而皆準的，但測量卻有不少的人為因素。最早的千克是用1個標準大氣壓下1立方分米純水在4攝氏度時的質量定義的，這實際上受到了溫度、氣壓、水和容器等環境因素和測量過程的限制。人們在19世紀末采用最先進的材料和工藝打造了國際千克原器，目的也是為了規避這些限制。但是，國際千克原器有且只有一個，無論它的質量是否發生漂移，各國計量院仍須以它為準，定期到位于法國的國際計量局校準自己的千克原器。新定義生效后，理論上任何地方的任何人，都可以根據定義復現1千克，而且，我們今天在北京復現的量值，和我們的子孫后代未來在火星上復現的量值將是一致的。

　　國際單位制的客觀通用性不僅意味著國際測量界多年的夙愿正在逐漸成為現實，更意味著全球量值統一有了更廣闊而便捷的途徑：芯片級的傳感器將可以在工業產品流水線上實現對國際單位制的溯源，物聯網各個終端采集的數據由此可以實現可比——無時無處不在的最佳測量，將推動計量管理模式的改革創新，釋放計量量子化變革效能，有助于提高智能制造、物聯網等新技術產業的質量水平，有利于實現公平貿易、安全醫療等，從而促進誠信建設，降低社會成本，保障和改善民生。

　　第三，新定義可在任意范圍復現，保障了國際單位制的全范圍準確性。

   修訂前的開爾文定義僅僅建立在水三相點一個固定點上，要測量比它更高或更低的溫度，我們需要根據其他的固定點來延伸溫標。而未來我們僅通過玻爾茲曼常數，就可以根據熱力學溫度與能量的關系，在整個溫標范圍實現同樣準確的溫度測量。千克也是這樣。以前最準確的千克只有1千克一種，要對一個大于1千克的物體稱重，我們需要將1千克進行重復累加；要對一個小于1千克的物體進行稱重，則需要將1千克進行分割。累加和分割的過程都會給量值的準確性帶來損失。新的定義則不受此限制。

　　國際單位制的全范圍準確性，為科學發現和技術創新提供了新的機遇。得益于更高的測量準確度，我們將可以測量極高、極低溫度的微小變化，從而更加準確地監測核反應堆內、航天器表面的溫度變化；在生物醫藥領域，我們可以準確測量單個細胞內某種物質的含量，并根據病人的實際需要，制定更加精確的藥物劑量。

　　第四，新定義不受復現方法限制，保障了國際單位制的未來適用性。

   在新的國際單位制中，測量的兩個重要概念，即單位定義和測量（或復現）方法是分離的。換言之，1米有多長和用尺子量還是用激光測無關。新定義生效后，千克可以通過任何適當的方法復現，比如基布爾天平法和X射線晶體密度法——這兩種方法是目前世界上測量準確度最高的復現方法，但即使未來有更好的實驗方案出現，單位的定義也不會因此受到影響。

　　更好的測量原理、測量方法和實驗儀器意味著人們可以在國際單位制框架下實現更佳的測量——這將引發儀器儀表產業的顛覆性創新。集多參量、高準確度傳感器為一體的綜合測量，不受環境干擾無需送檢的實時測量，眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等也成為了可能。

　　總之，國際單位制的變革是科技進步的縮影，科技創新和質量發展的基礎將由此變得更加牢固。就像1967年國際上用原子的特性修訂了秒定義一樣——盡管修訂之初人們并不清楚它可以用在哪里，但現在，基于原子鐘的計時技術已成為互聯網、移動通信和衛星導航等技術的基礎。新的國際單位制也是這樣，它將在未來對科學、技術、貿易、健康、環境以及更多的領域產生深遠的影響。

　　中國計量院作為我國的國家計量院，始終緊跟國際計量科學前沿，在國際單位制基本單位復現新理論、新方法等方面持續開展研究。截至目前，中國計量院已在玻爾茲曼常數、普朗克常數和阿伏伽德羅常數等物理常數測量以及量子基準研究和建立方面取得了系列突破。特別是中國計量院用聲學法和噪聲法兩種方法測得的玻爾茲曼常數，為基本單位開爾文的修訂做出了重要貢獻。中國計量院還獨立建立了基于新定義的千克復現和傳遞裝置，量子電阻和量子電壓裝置，可以適應國際單位制變革的需求，保障未來我國重要基本量值與國際等效一致。

　　未來，中國計量院還將加強面向國家戰略需求的計量基礎前沿研究；加快建設一批適應量子化研究的高水平精密測量基礎設施；加快構建以量子計量為基礎的國家現代先進測量體系，為建設制造強國、質量強國，有效提升市場監管能力提供強有力的支撐和保障，更好地發揮計量對提升國家核心競爭力的作用。

【背景】

   今年11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經包括中國在內的53個成員國集體表決，全票通過了關于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。根據決議，“千克”、“安培”、“開爾文”、“摩爾”等4個SI基本單位的定義將由常數定義。加之此前對“秒”、“米”和“坎德拉”的重新定義，至此組成國際計量單位制的7個基本單位均實現了由常數定義，全部告別了采用實物計量的歷史。

   據悉，變革后的國際單位制“基石”完全建立在“常數”上，使全球測量體系發生了革命性變革。在這次重大變革中，作為國家計量院的中國計量科學研究院為SI溫度基本單位“開爾文”的修訂作出了重要貢獻。這次國際計量單位制變革帶來的好處體現在“更準、更穩、更新”幾大方面：

更準，意味著量值溯源鏈條更短、速度更快、結果更精確，人們通過嵌入芯片級量子計量基準，可以把最高測量精度直接賦予制造設備并保持長期穩定，進而實現對產品制造全過程的準確感知和最佳控制，信息技術、大數據和人工智能等領域將得到有力支撐。

更穩，意味著國際計量單位制實現了長期穩定性和環宇通用性，任意時刻、任意地點、任意主體都能夠根據定義復現單位量值，人們在生產生活中可以直接應用最準的“標尺”，這將直接促進公平交易、環保節能等領域。

更新，意味著變革將催生新的測量原理、測量方法和測量儀器，測量儀器儀表形態也將全面創新，這為我國實施“科技強國”戰略、走向工業制造強國帶來了重要機遇。

   新聞發布會上，計量司負責同志介紹，明年5月20日我國將開始使用新修訂后的國際單位制。目前中國獲得國際互認的校準和測量能力已躍居全球第三、亞洲第一，自主可控的國家時間基準、長度量子基準都躋身世界先進行列。以此次變革為契機，中國將強化計量量子化戰略研究，并制定量子化時代的中國計量發展新規劃（2020年-2035年）。

   據了解，市場監管總局將繼續推行以國際單位制為基礎的國家法定計量單位，履行法定職責，加強面向國家戰略需求的計量基礎研究、前沿性研究，加速推進國家計量基標準質量提升工程，研制以量子傳感為基礎的量子計量標準，重塑量傳溯源體系，改革計量管理模式。同時，加快構建國家現代先進測量體系，持續推進《一帶一路計量合作愿景與行動》，深入貫徹落實質量強國戰略、制造強國戰略等國家重大決策部署。