改头换面的“国际单位制”

　　计量世界的“国际单位制”

　　日常生活中，我们会接触到各种各样的物理量——买菜要称“重量”(质量)，穿衣要合“尺寸”，约会要守“时间”，感冒要测“体温”……在和物理量打交道的过程中，我们也对物理量的单位变得非常熟悉，比如质量的单位“千克”“吨”，长度的单位“厘米”“米”，时间的单位“秒”“年”，温度的单位“摄氏度”“华氏度”等等。

　　同一物理量的不同单位之间有着明确的换算关系，买菜时用“千克”，运煤时用“吨”，我们只需根据实际情况自如地对单位加以切换就可以了。然而，不同的物理量之间也可以有明确的导出关系(注意不是换算关系)。比如力的单位“牛顿”，根据定义(物理学中，能使1千克质量的物体获得1米/秒²的加速度所需的力的大小定义为1牛顿)可以写成“千克×米/秒²”，再比如，压强的单位“帕斯卡”，根据定义(物理学中，1米²的面积上施加1牛顿的力会产生1帕斯卡的压强)可以写成“千克/米/秒²”。这样一来，“牛顿”和“帕斯卡”就可以用“千克”“米”和“秒”来表示了。

　　世界上的物体有大有小，自然界中的物理量成千上万，这导致物理计量单位的种类五花八门，样式不计其数。为了减少麻烦，计量单位自然是规范统一才好。正如中国古代的秦始皇，他一统六国后，做的第一件事情就是要求秦朝“一法度衡石丈尺，车同轨，书同文字”，而2000年后，类似的事情也发生在近代的法国。

　　1960年，第十一届国际计量大会在巴黎召开。全世界的计量科学家通过决议，决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度这六个物理量作为基本量，用“米”“千克”“秒”“安培”“开尔文”和“坎德拉”作为与基本量对应的六个基本单位，建立一套全球通用的计量单位制，并称之为“国际单位制”。10年后，1971年的第十四届国际计量大会上，计量科学家又增加“物质的量”作为第七个基本量，增加“摩尔”作为第七个基本单位。至此，人类最规范的计量单位制建立起来了——世界上所有的物理量都可以由这七个基本量用公式导出，而所有的计量单位，也都可以用七个基本单位来组成。

　　不够精确的“旧标尺”

　　在中国，我们已经习惯用“国际单位制”来计量，但是，“1千克”究竟有多重?“1秒钟”到底有多快呢?这些看似简单的问题，真要回答准确其实并不容易，它的背后隐藏着计量科学的一次次进步。

　　当人们最早定义七个基本单位的大小的时候，采用的方法既简单又直接——找某个相对稳定的实物或者依据某种物理现象，以它们作为标尺来定义单位的大小。

　　比如，长度单位“米”在最初“诞生”的时候，被定义为通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一，当天文学家测出地球子午线弧长之后，法国人根据测量结果制作了30个铂铱合金的米原器。1889年的第一届国际计量大会上，计量科学家经过遴选，将其中的一个用作国际米原器，定义它的长度为“1米”。国际米原器保存在巴黎国际计量局的地下室中，其余的米原器分发给世界各国，并要求定期送往巴黎与国际米原器进行对比。类似的，质量单位“千克”，也依靠一个国际千克原器来定义。

　　又比如，时间单位“秒”，最初是把地球自转一圈的时间定为1天，然后把1天分为24小时，把1小时分为60分钟，再把1分钟分成60秒;而早期定义温度的时候，普遍采用的是摄氏温标，人们把冰水混合物的温度规定为零摄氏度，把一个标准大气压下沸水的温度规定为100摄氏度，把它们之间的温度平均分为100份，每份就是1摄氏度。以“开尔文”为单位的热力学温标代替摄氏温标后，科学家只是改变了温标的“出发点”——将温度的极点(-273.15℃)定位为绝对零度，零摄氏度定为273.15开尔文，而热力学温标的分度间隔与摄氏温标的间隔是一致的。至于电流的单位“安培”，国际计量大会将其定义为：“在真空中，截面积可忽略的两根相距1米的平行而无限长的圆直导线内，通以等量恒定电流，导线间相互作用力在1米长度上为2×10-7牛顿时，则每根导线中的电流为1安培”。

　　很显然，这些旧时的定义方法各有各的问题。国际米原器和国际千克原器即使保存得再妥当，也会热胀冷缩、吸附灰尘或者发生氧化反应，它们的长度和质量不可避免地随着时间流逝而发生变化。2011年，计量科学家就发现，国际千克原器的质量与最初时相比，已经轻了50微克。至于地球的自转，其速度本身就不是恒定的，会受各种因素影响，即使在月球上看地球的自转，每一圈的周期也会相差几毫秒。热力学温标是一个主要应用于科学技术研究领域的温标，但它过分依赖水的性质，其使用范围会受到限制。至于安培，它的物理定义很难在实验中精确地呈现——“两根无限长、截面积可忽略的导线……在真空中相距1米平行放置”等规定，都有可能限制其测量精度。

　　基本单位的修正和优化

　　依据“旧标尺”定义出来的单位，从根源上就不是恒定的。对于现代社会科研和生产日益提高的精度需求而言，会引起混乱和不便。科学家渴望找到更普适的定义方法，让国际单位制中的基本单位可以固定下来，永恒不变。

　　最先得到修正的是时间的单位“秒”。1967年，第十三届国际计量大会通过决议，采用基于原子跃迁的“原子秒”取代“天文秒”，将“秒”的定义修正为“铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期的9192631770倍的持续时间”。这是基于量子物理学能态跃迁理论给出的更加精准的定义。长度的单位“米”，于1983年第十七届国际计量大会上得到新的定义：“米是(1/299792458)秒的时间间隔内光在真空中行走的长度”。这是基于19世纪末麦克斯韦电磁学理论和爱因斯坦狭义相对论中的光速不变原理，利用光速为常数给出的长度的更精准的定义，当然这个长度定义要基于时间单位“秒”的定义。

　　从这两个基本单位的修正来看，计量单位的精确度已经开始随着人类对于物理学规律认识的深化而不断被优化了。如果人类根本没有认识到原子物理学中量子化能级的存在，就无法知道能级跃迁会辐射特定频率的光子，也就无法精确定义“秒”。如果没有相对论，那么也不可能有关于“米”的精准定义。从这两个定义的变迁，我们就可以感受到人类对于物理学、科学认识水平的天翻地覆的变化。

　　2018年11月16日，第二十六届国际计量大会上，国际单位制迎来了最彻底的一次变革。七个基本计量单位的四个——千克、安培、开尔文和摩尔得到了修订，新的定义将从2019年5月20日起正式生效。这四个基本单位中，“千克”将用普朗克常数(h)定义，新的“1千克”等于普朗克常数除以6.62607015×10-34米²/秒)。“安培”将用电子电荷(e)定义，新的“1安培”等于1秒内通过1/(1.602176634×10-19)个电子电荷所产成的电流。“开尔文”将用玻尔兹曼常数(kB)定义，“摩尔”将用阿伏伽德罗常数(NA)定义，它们也与物理常数有着固定的关联。

　　新的定义虽然简单，却不太实用，真正的难点在于怎么根据新定义将“1千克”或者“1安培”测量出来。不过，借助先进的仪器，科学家已经有办法了。比如利用世界上最精准的秤，就可以用最高的精度测出物体质量的大小，这杆秤就是基布尔秤。与传统的秤不同，基布尔秤是一种通过电流和电压来精确测量物体质量的仪器，它通过巧妙的设计，可以将对物体质量的测量等效为对电磁力的测量，而这个电磁力又可以同普朗克常数关联起来。在测量过程中，基布尔秤用到了两项诺贝尔物理学奖级别的科学研究——量子约瑟夫森效应和量子霍尔效应。最终，测量人员可以写出一个物体质量与普朗克常数之间的正比关系式，然后将“千克”与普朗克常数的换算关系代入式子中，就可以得到质量。