浅谈计量单位的量子化

所属分类：行业资讯发布时间：2026-06-07 08:01:10
2018年11月召开的第26届国际计量大会，将包含“千克”在内的四个国际单位制（SI）基本单位重新定义，自此，我们迎来国际单位制量子化新时代。到底什么是计量单位的量子化，本文从计量单位的发展概况，为什么要对SI基本单位进行重新定义，基于常数的SI基本单位定义和计量单位量子化演进的影响等四个方面进行简析。

一、计量单位的发展概况

自从人类有了商品交换以后就有了计量。早期出现的计量单位的定义取决于人的主观意志，它们往往以人体某个部位或自然物体为基准。在我国古书中有“布指知寸、布手知尺、舒臂为寻”“举步为跬、倍跬为步”的记载。在古埃及，人们以自肘至指尖的长度作为一个腕尺，并以此建造出了金字塔。在英国，英王亨利一世的手臂向前平伸，以其鼻尖至指尖的距离定为一英寸（2.54cm）。此外，还有的用一百粒麦子排成直线的长度作为计量单位基准。

主观意志决定计量单位，导致的直接后果是计量单位的杂乱无章，严重阻碍人类社会的发展。1791年，“米”的定义诞生了，即把经过巴黎的地球子午线长度的4000万分之一定义为1米。从1792年至1799年，法国天文学家利用7年时间完成了通过巴黎的地球子午线长度的测量工作。1799年，法国科学院根据测量结果制作了1米的长度基准——米原器，从此产生了以实物基准为代表的计量制度——米制。1875年5月20日，17个国家的代表在法国巴黎正式签署《米制公约》，确定米制为国际通用的计量单位。

尽管地球非常庞大，但它的各种宏观参数一直在缓慢变化，其运动周期的稳定性并不是很高。国际米原器的精确度只有0.1微米，并且难以复现，容易损坏，随时间会有缓慢地变化。随着人类对微观世界的认识不断深入，人类开始利用更为稳定和精准的微观量子活动规律作为基准去定义计量单位。量子计量基准基于量子物理学中阐明的微观粒子的运动规律，利用特定跃迁现象来复现计量单位。第一个付诸实用的量子计量单位是米，它是利用86Kr原子在两个能级之间发生特定跃迁时所发射的光波的波长作为长度基准。1967年，以铯原子特定能级之间的跃迁频率对时间单位秒的量子化定义，使秒成为最著名和最成功的量子化计量单位。

量子计量基准的准确性也受限于一些物理法则，例如，量子计量基准的低不确定度源于微观粒子在能级间的特定跃迁的高稳定性，而从目前的物理学知识来看，自然常量(如真空中光速c、普朗克常数h、玻尔兹曼常数k、电子电荷e等)是恒定不变的，而且不依赖于具体物理过程。基于自然常数定义计量单位，不仅会有更高的稳定度，还会有很好的普适性。1983年，长度单位米基于自然常数光速c定义，米的定义改为“光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内所行进的路程的长度”。这样的定义实际上把光速定义成了计量基准,而长度单位米则成了导出单位。这种定义的特点表现在,今后随着实验技术的提高,长度单位米的不确定度可以不断改进而无需改动米的定义。因此，用自然常数定义的计量单位从准确度、普适性方面大大优于以往的单位定义方法。

二、为什么要对SI基本单位进行重新定义

1.当前SI基本单位定义存在问题

现在计量单位的定义使用了多种方式，有实物原器,如国际千克原器（IPK）；有特定的物理状态，如开尔文的定义使用水的三相点；还有理想化的实验方式，例如安培的定义；或自然常数，例如用光速来定义单位米。

对于日常规模的测量而言，目前的国际单位制定义已经足够。但是，对现代科学中的极端场景来说，SI这套工具就很糟糕,而且单位定义在某个特定的量级上，则远离的量级越远不确定度越大。例如，目前，毫克量级的测量，其最小相对不确定度至少是千克量级测量的2500倍。开尔文的定义是基于水三相点的定义值，即冰、液态水和水蒸气共存时的温度（定义为273.16开尔文）。当测量与水三相点相差巨大的温度时（比如在1500℃以上加工金属），要想准确地测出这一温度比水三相点相差多少，就变得异常困难。

为了实际使用，计量单位不仅需要被定义，而且为传递还必须物理上得到复现。如果单位的定义是理想状态的，而要想按照定义复现它就存在诸多不便。例如，电流单位安培定义中的“无限长”“圆截面可忽略”等要素，在单位复现时都将引起难以克服的困难。

2.基于人工实物基准的单位定义存在弊端

就人工实物来说，定义和复现是等效的，这虽然简单明了，但实物原器会发生变化以及被损伤和损坏。国际千克原器(IPK)从1889年起就可能开始产生未知的变化和漂移，但它却一直保持着定义标准的地位，而且从世界各地到巴黎去溯源也是一项艰巨的任务。

3.对千克等单位重新定义的条件已经成熟

对计量单位的重新修订，是人们对计量单位长期稳定性的诉求。如果能复现基本单位的具体技术手段，可以随着科学技术的进步而不断与时俱进，而基本单位的定义可以无需更改，那这样的基本单位制将更加科学，也可在更长的时期内为人们服务。

对千克等单位的重新定义，也已经进行了多年的讨论，2007年国际计量大会要求国际计量局及各国计量研究机构积极开展与SI基本单位重新定义有关的研究。经过无数计量学家的不懈努力，解决方案已相继达到标准要求，而且根据现有经验，自然常数的确定完全可以达到相应的准确度，对千克等单位重新定义的条件已经成熟。

三、基于常数的SI基本单位定义

找到恒久不变的基准，一直是人类的梦想。计量单位的量子化定义，实际上是使用不变的自然法则创建不变的测量规则，而自然界常数的使用，能够实现从最小的测量量到最大的测量量，将原子和量子尺度的测量与宏观层面的测量联系起来。

在之前国际单位制单位定义的测量体系中,自然常数的值是由原定义的单位给定的,其数值由测量能力决定,这就导致基本常数的值总是处于不断变化之中。新修订的国际单位制完全基于自然常数,且常数的值将固定不变，不确定度为0，计量单位将通过自然常数本身定义或常数定义的公式导出。因为自然常数恒定,单位制的基础将是最坚实可靠且“普遍适用”的。

例如，质量的单位千克，它基于普朗克常数h的定义公式进行定义，普朗克常数h等于6.62607015×10-34kgm2s-1，使这个关系倒置，便可以导出千克的定义表达式：

而表达式中长度单位米（m）和时间单位秒（s）是依据光速常数（c）和铯133原子基态能级跃迁频率（ΔνCs）定义。因此，就可以根据常数h、ΔνCs和c值导出一个千克的常数表达式：

以前的千克定义由国际千克原器的质量值m(K)确定，m(K)精确地等于1千克，普朗克常数h的值必须通过实验来确定。千克的量子化定义首先精确地确定了h的值，而原器的质量现在必须通过实验来确定。

四、计量单位量子化的影响

计量单位对人们日常生产生活的影响是潜移默化的。计量单位量子化定义后,人们的日常测量活动与以前没有明显不同,从超市中的电子秤到工业大尺寸坐标测量机,再到实验室中的全血细胞计数，定义修订前后测量的数值都是一样的。

但计量单位的量子化定义能保证SI单位的未来能力，为未来发展奠定基础,所带来的进步将会逐渐显现出来。一是计量单位的量子化定义,能够不断通过提高测量水平来提高单位复现的准确度,而不需要改变单位的基本定义。二是实现国际计量基准的量子化、量值传递溯源的扁平化，将可形成先进的多级全球计量量值中心或区域计量中心并开展量值传递溯源。三是将有力支撑新一轮技术革命，引发一大批技术产业的革命性创新发展。四是基于自然物理常数的计量单位量子化定义，原则上可在整个宇宙范围内通用,将引领人类的步伐迈向地球之外的广阔空间。

追求精准，“进”无止境。精确度的每一步提升都引发了一场技术革命。计量单位的量子化，正改变着我们的未来，但永恒不变的是人类对精准的追求。

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