机床罩壳
原遵东
(中国计量科学研究院，北京 100029)
摘 要：第26届国际计量大会批准了全部以自然常数重新定义的国际单位制(SI)㊂新定义不再依赖任何实物计量基准，使国际单位制更具稳定性和普适性㊂文章介绍了国际单位制的沿革和重新定义的国际单位制的内容㊂关键词：测量；国际单位制；基本单位；基本常数；自然常数；重新定义 中图分类号:TB921;N04 文献标识码:A DOI :10.3969/j.issn.1673-8578.2019.03.006
Redefinition of International System of Units Based on Constants of Nature //YUAN Zundong
Abstract :The 26th meeting of the General Conference on Weights and Measures (CGPM)approved the revision of the international system of units (SI).The definitions of all the units of the revised SI have been linked to constants of nature,which no longer rely on any physical artifacts and guarantee their stability and universality.This paper introduces the evolution of and the content of the redefined SI.
Keywords :measurement;international system of Units (SI);base unit;fundamental constant;constant of nature;redefinition
收稿日期:2019-05-09
作者简介：原遵东(1960 )，男，中国计量科学研究院研究员，研究方向为温度计量㊁辐射测温㊂通信方式:yuanzd@nim.
ac㊂
一 国际单位制的形成[1-2]
在世界范围使用统一的单位制是保证不同时期㊁不同地域和不同原理的测量之间具有一致性的基础㊂国际单位制是世界上几乎所有国家都在使用的单位的法律体系㊂国际单位制由最初的米制演变而成㊂食蚜斑腹蝇
1795年法国立法创建了米制㊂1799年两个代
表米和千克的铂标准器保存于法国国家档案馆㊂1869年国际科学委员会建立以推广米制测量的应用，国际米原器诞生㊂同年法国政府邀请多国加入国际科学委员会，次年转变为新的国际米制委员会㊂
1875年5月20日,17国签署‘米制公约“，在其框架下成立了国际计量大会(CGPM)㊁国际计量委员会(CIPM)和国际计量局(BIPM)㊂CGPM 旨在讨论和批准单位制修订提案,CIPM 管理有关单
位制的讨论和建议,BIPM 承担全部体系的管理和保管国际原器标准装置㊂当时商定的单位制称为米-千克-秒单位制(MKS 制)，包含米㊁千克和秒三个基本单位㊂其中，米和千克用实物定义，时间单位秒采用天文秒㊂1889年第1届国际计量大会批准了定义米和千克的以铂铱合金制成的两个新国际原器㊂
1935年国际电工委员会(IEC)开始采用MKS
制㊂1946年CIPM 批准MKS 制替代电学此前的单位制 国际制”㊂为建立在全球统一实用的测量单位制,1954年CGPM 决定，引入电流㊁热力学温度和发光强度的单位安培㊁开尔文和坎德拉作为基本单位㊂1960年第11届CGPM 将包含米㊁千克㊁秒㊁安培㊁开尔文和坎德拉六个基本单位的单位制命名为国际单位制(SI，法文System International d’Unites 的缩写)㊂此次会议还采用了米的基于氪-86原子特性的新定义，这是第一次正式采用自
然基准定义的基本单位，替代了1889年起生效的基于国际米原器的定义㊂至此，千克成为最后一个以实物来定义的SI基本单位㊂
1967年改用铯原子的自然特性重新定义秒，也被称为 原子秒”㊂1971年第14届CGPM将物质的量的单位摩尔引入SI基本单位㊂1977年我国加入米制公约组织㊂1979年坎德拉以单辐射方式重新定义㊂1983年米被定义为光在真空中经1/299792458秒行进的距离，这是SI中的基本单位首次以基本常数(光速)来定义㊂1990年单位欧姆和伏特的定义均采用基于 约瑟夫森效应”和 量子霍尔效应”的基本常数实
用约定值㊂1999年第21届CGPM第7号决议要求各国际计量院努力，用实验方法把质量单位和基本常数或原子常数联系起来，以便将来重新定义千克㊂此后,CGPM的有关国际咨询委员会先后提出将千克定义建立在普朗克常数或阿伏加德罗常数的基础上，用玻耳兹曼常数重新定义开尔文，给定阿伏加德罗常数重新定义物质的量的单位摩尔，给定基本电荷的量值重新定义安培㊂至2017年国际计量界实现了多项极限测量的突破，以最高不确定度水平实现对普朗克常数㊁阿伏加德罗常数和玻耳兹曼常数重新定值，用于SI重新定义㊂中国计量科学研究院在这三个基本常数测量方面均取得突破㊂特别是噪声原级测温法和声学原级测温法的玻耳兹曼常数测量结果，为基本单位开尔文的重新定义做出了关键性贡献㊂
2018年11月16日第26届CGPM通过对SI 的修订决议,SI中的四个基本单位千克㊁安培㊁开尔文和摩尔基于基本常数重新定义，实现了全部以自然常数(基本常数和原子常数)定义SI中的七个基本单位㊂各SI单位的大小在新旧定义更替之际不会发生可察觉的变化㊂新SI将于2019年5月20日世界计量日起正式生效㊂至此，以实物定义测量单位的时代终结，世界上使用的所有SI测量单位都用自然界的基本法则来定义，更具有稳定性和普适性㊂这是国际单位制自创建以来的最重大的变革之一，是一个历史性的里程碑㊂新定义将对科技创新㊁产业发展产生深远影响㊂
二 国际单位制的新定义[3]
自2019年5月20日起生效的国际单位制，是满足以下条件的单位制:
㊃铯⁃133原子不受干扰的基态的超精细跃迁频率Δν(Cs)为9192631770Hz,
㊃真空光速度c为299792458m/s,
㊃普朗克常数h为6.62607015×10-34J㊃s,㊃基本电荷e为1.602176634×10-19C,㊃玻耳兹曼常数k为1.380649×10-23J/K,㊃阿伏加德罗常数N A为6.02214076×1023mol-1㊂
㊃频率为540×1012Hz的单辐射的光视效能K cd为683lm/W㊂
其中，单位赫兹(Hz)㊁焦耳(J)㊁库伦(C)㊁流明(lm)㊁瓦特(W)分别与单位秒(s)㊁米(m)㊁千克(kg)㊁安培(A)㊁开尔文(K)㊁摩尔(mol)㊁坎德拉(cd)相关联，相互之间的关系为Hz=s-1,J= kg㊃m2㊃s-2,C=A㊃s,lm=cd㊃m2㊃m-2= cd㊃sr,W=m2㊃kg㊃s-3㊂
国际单位制的新定义在一定程度上是对基本单位的 隐性”表达㊂对七个基本单位等价的 显性”定义见表1㊂其中以 直接”方式定义了两个基本单位 采用以赫兹Hz(即s-1)为单位的频率规定值定义了时间单位秒，基于阿伏加德罗常数N A定义了摩尔㊂在此基础上，通过给定真空光速以单位m/s表示时的固定数值为299792458规定了长度单位米和时间单位秒之间的关系，以间接方式定义米㊂其余四个基本单位的定义也是以这种间接方式给出：千克㊁安培㊁开尔文和坎德拉分别基于普朗克常数h㊁基本电荷常数e㊁玻耳兹曼常数k 和规定频率的单辐射的光视效能K cd定义㊂借助于国际单位所规定的两个辅助单位 弧度和球面度，所有导出单位均可由若干基本单位的幂的乘积获得㊂
表1 2019年5月20日生效的国际单位制(SI)基本单位的定义
基本
单位
英文定义和中译文转换关系
second 秒The second,symbol s,is the SI unit of time.It is defined by taking the fixed numerical
value of the caesium frequencyΔνCs the unperturbed ground⁃state hyperfine transition
frequency of the caesium133atom,to be9192631770when expressed in the unit Hz,
which is equal to s–1.
国际单位制中的时间单位，符号s㊂当铯频率Δν(Cs)，也就是铯⁃133原子不受干扰
的基态超精细跃迁频率以单位Hz即s-1表示时，将其固定数值取为9192631770
来定义秒㊂
1s=9192631770/Δν(Cs)
metre 米The metre,symbol m,is the SI unit of length.It is defined by taking the fixed numerical
value of the speed of light in vacuum c to be299792458when expressed in the unit
m/s,where the second is defined in terms ofΔνCs.
国际单位制中的长度单位，符号m㊂当真空中光速c以单位m㊃s-1表示时，将其固
定数值取为299792458来定义米，其中秒用Δν(Cs)定义㊂
1m=(c/299792458)s
=30.663318 c/Δν(Cs)
kilogram 千克The kilogram,symbol kg,is the SI unit of mass.It is defined by taking the fixed
numerical value of the Planck constant h to be6.62607015×10–34when expressed in
the unit J s,which is equal to kg m2s–1,where the metre and the second are defined in
terms of c andΔνCs.
国际单位制中的质量单位，符号kg㊂当普朗克常数h以单位J㊃s即kg㊃m2㊃s-1表
示时，将其固定数值取为6.62607015×10-34来定义千克，其中米和秒用c和Δν
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(Cs)定义㊂
1kg=(h/6.62607015×
10–34)m–2㊃s=1.475521
×1040hΔν(Cs)/c
ampere 安培The ampere,symbol A,is the SI unit of electric current.It is defined by taking the fixed
numerical value of the elementary charge e to be1.602176634×10-19when expressed
in the unit C,which is equal to A s,where the second is defined in terms ofΔνCs.
国际单位制中的电流单位，符号A㊂当基本电荷e以单位C即A㊃s表示时，将其固
定数值取为1.602176634×10-19来定义安培，其中秒用Δν(Cs)定义㊂
1A=e/(1.602176634×
10–19)s–1=6.789686 ×
108Δν(Cs)e
高效课堂小组建设kelvin 开尔文The kelvin,symbol K,is the SI unit of thermodynamic temperature.It is defined by
taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be1.380649×10-23
when expressed in the unit J K-1,which is equal to kg m2s-2K-1,where the kilogram,
metre and second are defined in terms of h,c andΔνCs.
国际单位制中的热力学温度单位，符号K㊂当玻耳兹曼常数k以单位J㊃K-1即kg
㊃m2㊃s-2㊃K-1表示时，将其固定数值取为1.380649×10-23来定义开尔文，其中千
克㊁米和秒用h㊁c和Δν(Cs)定义㊂
1K=(1.380649×
10–23/k)kg㊃m2㊃s–2
=2.266665 Δν(Cs)h/k
mole 摩尔The mole,symbol mol,is the SI unit of amount of substance.One mole contains exactly
6.02214076×1023elementary entities.This number is the fixed numerical value of the Avogadro constant,N A,when expressed in the unit mol-1and is called the Avogadro number.
The amount of substance,symbol n,of a system is a measure of the number of specified elementary entities.An elementary entity may be an atom,a molecule,an ion,an electron,any other particle or specified group of particles.
国际单位制中的物质的量的单位，符号mol㊂1摩尔精确包含6.02214076×1023个
基本单元㊂该数称为阿伏加德罗数，为以单位mol-1表示的阿伏加德罗常数N A的固
定数值㊂
一个系统的物质的量，符号n，是该系统包含的特定基本单元数的量度㊂基本单元
可以是原子㊁分子㊁离子㊁电子㊁其他任意粒子或粒子的特定组合㊂
1mol=6.02214076×
1023/N A
(续表1)基本
单位
英文定义和中译文转换关系
candela 坎德拉The candela,symbol cd,is the SI unit of luminous intensity in a given direction.It is
defined by taking the fixed numerical value of the luminous efficacy of monochromatic
radiation of frequency540×1012Hz,K cd,to be683when expressed in the unit lm
W–1,which is equal to cd sr W–1,or cd sr kg–1m–2s3,where the kilogram,metre and
second are defined in terms of h,c andΔνCs.
国际单位制中的沿指定方向发光强度单位，符号cd㊂当频率为540×1012Hz的单辐
射的光视效能K cd以单位lm㊃W-1即cd㊃sr㊃W-1或cd㊃sr㊃kg-1㊃m-2㊃s3表示时,
将其固定数值取为683来定义坎德拉，其中千克㊁米㊁秒分别用h㊁c和Δν(Cs)定义㊂
1cd=(K cd/683)kg㊃m2㊃
s–3㊃sr–1
=2.614830 ×1010
Δν(Cs)2h K cd
参考文献
[1]CGPM.26th CGPM Press Kit:Towards a historic revision of the International System of Units(SI)[EB/OL].
(2018-11-16)[2019-05-05].www.bipm. org/utils/en/pdf/CGPM/CGPM⁃Press⁃Kit.pdf. [2]BIPM.The International System of Units(8th edition)
[EB/OL].(2006)[2019-05-05]www.bipm. org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf.
[3]CGPM.26th CGPM Resolution1:On the revision of the International System of Units(SI)[EB/OL].(2018-11-16)[2019-05-05]/en/CGPM/ db/26/1/.
国际单位制为什么要重新定义
电力法修改2018年11月16日，第26届国际计量大会通过 修订国际单位制”决议，正式更新包括国际标准质量单位 千克”在内的4项基本单位定义㊂新国际单位体系将采用物理常数重新定义质量单位 千克”㊁电流单位 安培”㊁温度单位 开尔文”和物质的量单位 摩尔”㊂其中，最受关注的 千克”定义，将以量子力学中的普朗克常数为基准，其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量㊂那么你知道为什么要做出这样的改变吗?
在创建国际通用的计量单位体系时，最初是规定1立方分米纯水在4摄氏度时的质量为 1千克”，这是因为当时的科学家发现，水在4摄氏度时的密度最为稳定㊂然而，以水为标准的质量既不方便又不稳定，所以1889年 千克”被批准由一块39毫米高㊁底面直径也为39毫米的铂铱合金圆柱体来定义㊂其中
铂含量为90%㊁铱含量为10%，不仅稳定性强，还具有极强的抗氧化性和抗化学腐蚀性㊂这个圆柱体学名为 国际千克原器”，被人们亲切称为 大K”㊂
大K”自诞生起一直被存放在位于法国巴黎郊区的国际计量局地下储藏室保险箱内并用3层玻璃钟罩保护，最外一层抽成半真空，以防止空气和杂质进入㊂保险箱也必须由3把钥匙同时打开，而这3把钥匙分别保存在国际计量局局长㊁国际计量委员会主席和法国国家档案馆馆长手中㊂迄今 大K”仅 面世”4次，每过40年才取出一次，接受清洗和检查㊂各国保存的复制品会定期到国际计量局与 大K”进行校准㊂尽管如此小心翼翼，仍不能如人们所希望的 永不改变”㊂这种实物基准一般是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，以保证其稳定性㊂但是随着科技及工农业的发展，这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出许多不足之处㊂
1992年科学家发现，比起复制品的平均质量, 大K”的体重减少了近50微克㊂2013年德国‘计量学“杂志刊载研究报告称, 大K”因表面遭污染而增重数十微克㊂科学家借助X射线光谱学成像技术，发现 大K”表面附着数十微克碳基及汞污染㊂碳可能来源于汽车尾气，汞污染物则来自实验室内偶尔打破的水银温度计和水银气压计㊂50微克，大约是一粒沙子的十分之一㊂这一变化对于普通人的生活来说，没有太大影响，但对于精密实验和测量，可能是个烦㊂而分布在世界各地的原始砝码复制品的重量如今也不尽相同㊂
由此，经过全球各国国家计量院的多年研究，最终决定将国际测量体系全部建立在不变的自然常数上㊂至此，国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义，这也是改变国际单位制采用实物计量的历史性变革㊂一倍体
(魏星摘编自新华网，科普中国-科技前沿大师谈,2018-12-14/作者：童植)
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