2018年11月13日至16日，第二十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）在巴黎舉行。會(huì)議通過(guò)了關(guān)于“修訂國(guó)際單位制（SI）”的決議A。根據(jù)決議A，國(guó)際單位制的四個(gè)基本單位，即千克、安培、開(kāi)爾文和摩爾，分別由普朗克常數(shù)h，基本電荷常數(shù)e，玻爾茲曼常數(shù)k和阿伏加德羅常數(shù)NA定義。這樣，就基于一系列常數(shù)在SI中建立了基本量和單位。新的國(guó)際單位制已于2019年5月20日正式啟動(dòng)。這是自1875年5月20日《米制公約》簽署以來(lái)計(jì)量學(xué)史上最重大的變化和里程碑。李天初研究員是中國(guó)工程院院士，他在長(zhǎng)達(dá)37年的時(shí)間里一直致力于時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究。在這次NSR訪談中，李天初回顧了秒和米的量子化和常數(shù)化演變，并介紹了安培、開(kāi)爾文、千克和摩爾的重新定義及其對(duì)精密測(cè)量的意義。

李天初，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員，時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)方面的著名科學(xué)家（王謹(jǐn)提供）

一、

基本計(jì)量單位的量子化

NSR: 什么是計(jì)量？

李天初：為了說(shuō)明什么是計(jì)量，計(jì)量為什么重要，我首先舉一個(gè)實(shí)例。2012年，Nature News報(bào)道了一個(gè)中微子超光速傳播的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并引起了比較大的轟動(dòng)。一束中微子從位于瑞士的歐洲核子中心（CERN）傳播到位于意大利的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS），中微子經(jīng)過(guò)了730公里的路途，所用的時(shí)間比光速快了60納秒。但一個(gè)月之后，人們就發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是由時(shí)間測(cè)量錯(cuò)誤造成的。這說(shuō)明測(cè)量在科學(xué)實(shí)驗(yàn)里扮演著非常重要的角色。對(duì)某個(gè)物理量的計(jì)量必須保證在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間、用不同方法測(cè)量得到的量值是準(zhǔn)確一致的。如果不一致，會(huì)顛覆整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)。 計(jì)量學(xué)起源于貿(mào)易往來(lái)，是在大工業(yè)時(shí)期大規(guī)模生產(chǎn)的可互換需求中形成的，并 在科研和國(guó)防工業(yè)中得到發(fā)展。現(xiàn)代計(jì)量學(xué)始于《米制公約》。在法國(guó)大革命統(tǒng)一米制和英國(guó)產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)上，17個(gè)國(guó)家于1875年5月20日（國(guó)際計(jì)量日）簽訂了《米制公約》，中國(guó)也于1976年加入米制公約組織。米制公約組織的最高機(jī)構(gòu)是國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）；第二級(jí)機(jī)構(gòu)是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM），CIPM是做技術(shù)的；第三級(jí)機(jī)構(gòu)是國(guó)際計(jì)量局（BIPM），BIPM是常設(shè)巴黎的技術(shù)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和保存基標(biāo)準(zhǔn)的量值和溯源的比對(duì)；BIPM下面是各個(gè)國(guó)家的計(jì)量院，世界上大多數(shù)國(guó)家都有自己獨(dú)立的計(jì)量院。 計(jì)量就是關(guān)于測(cè)量的科學(xué)，但是這種測(cè)量是溯源到基準(zhǔn)的。如果大家都溯源到公認(rèn)的基準(zhǔn)，就可以保證測(cè)量和計(jì)量體系是統(tǒng)一的。現(xiàn)在，世界各國(guó)都使用一個(gè)共同的計(jì)量基準(zhǔn)。從這些基準(zhǔn)出發(fā)，通過(guò)一條不間斷的溯源鏈，可讓終端用戶的測(cè)量溯源回到基標(biāo)準(zhǔn)。另外，BIPM還要開(kāi)展一系列的比對(duì)工作，來(lái)保證每個(gè)溯源鏈和基準(zhǔn)工作的正常運(yùn)作。絕大多數(shù)國(guó)家都參加了米制公約組織，米制公約組織的最大貢獻(xiàn)就是建立了統(tǒng)一的國(guó)際單位制（SI）。

NSR: 國(guó)際單位制中有哪些基本單位？

李天初：國(guó)際單位制中的基本單位主要是物理學(xué)單位。SI始于1795年，經(jīng)過(guò)不斷地增加、完善、成型，到1971年形成了7個(gè)基本單位，其它的所有物理量都可以從這7個(gè)基本單位推導(dǎo)出來(lái)。7個(gè)基本單位是時(shí)間單位秒(s)、長(zhǎng)度單位米(m)、質(zhì)量單位千克(kg)、電流單位安培(A)、溫度單位開(kāi)爾文(K)、物質(zhì)的量單位摩爾(mol)和發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉(cd)。其中，物質(zhì)的量是半物理半化學(xué)的單位，發(fā)光強(qiáng)度有點(diǎn)特殊性，要依賴人眼視覺(jué)系數(shù)。我今天主要談?wù)撉傲鶄€(gè)單位的常數(shù)化定義。

NSR: 基本單位量子化的想法始于何時(shí)？

李天初：基本單位量子化的最早的推動(dòng)人應(yīng)該是普朗克和麥克斯韋。普朗克曾經(jīng)說(shuō)“……借助基本常數(shù)，我們可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量和溫度的單位，這些單位橫貫宇宙， 持續(xù)永恒，適于所有的文明….”。

NSR: 這次國(guó)際單位制的改革是什么？

李天初：在計(jì)量發(fā)展的初期階段，7個(gè)基本單位的定義都依賴實(shí)物基準(zhǔn)，比如長(zhǎng)度單位米定義為鉑銥合金米原器上兩條刻線之間的距離，質(zhì)量單位千克定義為鉑銥合金千克原器（30幾毫米長(zhǎng)30幾毫米直徑的圓柱體）的質(zhì)量。二十世紀(jì)中葉以后，隨著量子物理的發(fā)展和成熟，基本單位的定義由實(shí)物基準(zhǔn)過(guò)渡到量子基準(zhǔn)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)在時(shí)間和長(zhǎng)度都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子化，并且實(shí)現(xiàn)了基于常數(shù)的重新定義。第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)的主要成果是把千克、安培、開(kāi)爾文和摩爾四個(gè)單位用常數(shù)重新定義了。

李天初 (右三) 與中國(guó)代表在第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上 (李天初提供)

二、

秒的量子化定義

NSR: 秒的量子化定于始于何時(shí)？

李天初：人類(lèi)對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)開(kāi)始于天文觀測(cè)。基于地球自轉(zhuǎn)的世界時(shí)間和基于地球公轉(zhuǎn)的歷書(shū)時(shí)間組成了天文時(shí)間。格林尼治天文臺(tái)自從1871年10月1號(hào)起正式發(fā)布天文時(shí)間。1955年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的埃森和帕里做成了第一臺(tái)銫原子鐘；同年，美國(guó)海軍天文臺(tái)和英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室合作，用天文秒測(cè)量了銫的頻率，測(cè)量結(jié)果為9192631770 Hz，雖然那次測(cè)量的精度只有10-9，但那件事是非常重要的，它標(biāo)志著一個(gè)新定義從一個(gè)老定義中脫胎而出。1967年，國(guó)際上正式廢除了天文秒的定義，而把1秒定義成Cs-133原子的超精細(xì)能級(jí)輻射9192631770個(gè)周期的時(shí)間，這是秒的第一個(gè)量子化定義。從那以后，時(shí)間單位秒的定義，就從天文學(xué)過(guò)渡到物理學(xué)測(cè)量的階段了。 英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的第一臺(tái)銫鐘，實(shí)際上是一臺(tái)基準(zhǔn)鐘。此那以后，基準(zhǔn)鐘不斷地進(jìn)化。1995年，法國(guó)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)基于激光冷卻的銫原子噴泉鐘。2014年，中國(guó)實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)銫原子噴泉鐘，該鐘同年通過(guò)了國(guó)際評(píng)審并參與駕馭國(guó)際原子時(shí)。現(xiàn)在，中國(guó)正在做第二臺(tái)銫噴泉基準(zhǔn)鐘，它的初步不確定度已經(jīng)達(dá)到6×10-16。

NSR: 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是如何產(chǎn)生和發(fā)布的？

李天初：光有基準(zhǔn)還不夠，還需要守時(shí)。把守時(shí)鐘加權(quán)平均可產(chǎn)生原子時(shí)間，原子時(shí)間是非常可靠的，因?yàn)槭貢r(shí)用的不是一臺(tái)鐘，而是一組鐘。 目前，國(guó)際上大約有80個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室、500臺(tái)守時(shí)鐘參與了國(guó)際計(jì)量局主導(dǎo)的國(guó)際原子時(shí)合作，把500臺(tái)商品鐘的數(shù)據(jù)加權(quán)平均就產(chǎn)生自由原子時(shí)（EAL）。自由原子時(shí)既可靠，又穩(wěn)定，但不夠準(zhǔn)確。國(guó)際上有基準(zhǔn)鐘的國(guó)家不定期地向國(guó)際計(jì)量局報(bào)數(shù)，用報(bào)數(shù)的結(jié)果駕馭（修正）自由原子時(shí)，經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)鐘修正的自由原子時(shí)叫做國(guó)際原子時(shí)（TAI）。 國(guó)際原子時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間之后，會(huì)與天文時(shí)發(fā)生偏差。位于法國(guó)的國(guó)際地球自轉(zhuǎn)組織，負(fù)責(zé)測(cè)量原子時(shí)和天文時(shí)(UT1)之間的差，當(dāng)時(shí)間差快接近0.9秒時(shí) 就發(fā)出一個(gè)通告，在全世界范圍內(nèi)加一次閏秒，經(jīng)過(guò)閏秒修正的國(guó)際原子時(shí)就是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。協(xié)調(diào)世界時(shí)就是現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)的通用時(shí)間了。 每隔30天，協(xié)調(diào)世界時(shí)以時(shí)間通報(bào)（T通告）的方式反饋給守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，各個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室再根據(jù)從T通告反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)和自己上報(bào)數(shù)據(jù)的差修正自己的時(shí)間，產(chǎn)生更準(zhǔn)確的本地原子時(shí)間UTC（k），其中k是實(shí)驗(yàn)室的縮寫(xiě)。例如，迄今為止，中國(guó)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參與了自由原子時(shí)，UTC（NIM），UTC（NTSC）和UTC（BIRM）分別是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）和北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所（BIRM）的本地原子時(shí)。

三、

第一個(gè)用物理常數(shù)定義的單位：米

NSR: 米的常數(shù)化定義始于何時(shí)？

李天初：長(zhǎng)度單位最早是從自然基準(zhǔn)產(chǎn)生的。1792年，法國(guó)計(jì)量院委托了兩位科學(xué)家用大地測(cè)量的三角法，嚴(yán)格測(cè)量了從敦刻爾克經(jīng)過(guò)巴黎到巴塞羅那這一段地球子午線四分之一弧長(zhǎng)的長(zhǎng)度，再用地球子午線長(zhǎng)度的四千萬(wàn)分之一定義了米，以此為依據(jù)制作了國(guó)際米原器（IPM）。 1892-1893年，邁克爾遜用米尺測(cè)量了鎘光譜的波長(zhǎng)。1960年，第11 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定把米的定義廢除，而改換成氪-86光譜燈譜線的波長(zhǎng)。用光譜燈光源，就可以根據(jù)米的定義用干涉儀測(cè)量長(zhǎng)度。這是米的第一個(gè)真正意義上的量子化定義。 激光誕生之后不久，穩(wěn)頻激光完全取代了氪燈，有很多人建議用激光的波長(zhǎng)來(lái)代替氪燈重新定義米，但在究竟采用哪個(gè)波長(zhǎng)的問(wèn)題上產(chǎn)生了長(zhǎng)久的爭(zhēng)論。1972年，埃文森用波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)重新測(cè)量了光速，不確定性較好。1975年，第15屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)把光速值定為無(wú)誤差常數(shù)。1983年，長(zhǎng)度單位米由物理公式來(lái)定義，即l=c t，l是長(zhǎng)度，c是真空中的光速，t是時(shí)間。因?yàn)闀r(shí)間已經(jīng)定義了，其準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它的量。這樣，長(zhǎng)度的單位米就成為第一個(gè)用物理常數(shù)定義的單位。

NSR:米和秒之間有何聯(lián)系?

李天初：實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度單位的方法有多種。最重要的一種方法是通過(guò)光學(xué)梳將激光頻率溯源到微波頻率，然后直接將其回溯到秒定義。這樣，秒的定義轉(zhuǎn)換為光波長(zhǎng)，秒與米密切相關(guān)。

單位重新定義的歷程可簡(jiǎn)單概括為：用舊的單位的定義來(lái)測(cè)量一個(gè)常數(shù)，然后定義這個(gè)常數(shù)，基于這個(gè)常數(shù)重新定義單位，常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量成為復(fù)現(xiàn)新定義的方法之一。

四、

用常數(shù)定義的其他四個(gè)單位

NSR: 第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)是如何重新定義安培、開(kāi)爾文、千克和摩爾四個(gè)單位的？

李天初：電流的單位安培的老的定義非常復(fù)雜且很難實(shí)現(xiàn)。安培的新定義，遵循米和秒的定義理念。首先選定電子電荷為基本電荷e，把它的數(shù)值作為無(wú)誤差常數(shù)固定下來(lái)，每秒通過(guò)的電子電荷（或者基本電荷）就叫做電流：I=n e /s。所以安培的物理概念非常清楚，就是每秒鐘通過(guò)的n=1/e個(gè)電荷就叫一個(gè)安培。現(xiàn)在復(fù)現(xiàn)安培的方法還是用歐姆定律，通過(guò)測(cè)量電壓和測(cè)量電阻，然后算出電流來(lái)。電壓和電阻的復(fù)現(xiàn)方法都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子化了。 溫度單位開(kāi)爾文的老定義是水的三相點(diǎn)，把水的液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)三相態(tài)的溫度定為273.16 K。這看起來(lái)是很科學(xué)、很合理的，但是水的三相點(diǎn)依賴于水的同位素的組成，我們可以測(cè)量水的同位素的組成，但還沒(méi)有辦法控制水的同位素的組成。開(kāi)爾文的新定義的物理原理是，能量的變化就等于玻爾茲曼常數(shù)乘以溫度的變化，ΔE=kΔT，其中E是能量，k玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度。新的溫度的定義就轉(zhuǎn)變成要準(zhǔn)確測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)。 質(zhì)量單位千克的舊定義是國(guó)際千克原器（IPK）。新的定義基于兩個(gè)公式。質(zhì)量(m)、普朗克常數(shù)(h)、物質(zhì)波的頻率(v)、光的真空光速（c）之間的關(guān)系為：E=hv=m c2，德布羅意-康普頓頻率等于c2/h的宏觀質(zhì)量就叫做1千克。千克的復(fù)現(xiàn)用基布爾(瓦特)天平來(lái)實(shí)現(xiàn)，即把質(zhì)量的測(cè)量過(guò)渡到電的測(cè)量。 物質(zhì)的量的單位摩爾定義為一定體積之內(nèi)的原子或者粒子數(shù)，即基于一定數(shù)量的粒子來(lái)定義，將不再依賴于質(zhì)量的單位千克。把阿伏伽德羅常數(shù)NA=6.022140 76×1023的數(shù)值作為無(wú)誤差常數(shù)固定，1摩爾精確包含6.022 140 76×1023個(gè)基本粒子，該數(shù)即為以單位mol-1表示的阿伏伽德羅常數(shù)NA的固定數(shù)值，即1 mol = 6.022 14076×1023/NA。

NSR: 中國(guó)對(duì)國(guó)際單位的重新定義有何貢獻(xiàn)?

李天初：在秒的量子化定義方面，國(guó)際上有九個(gè)國(guó)家參與國(guó)際原子時(shí)的駕馭，但是從2016年8月到現(xiàn)在，實(shí)際只有德、法、俄、中、意這五個(gè)國(guó)家在比較正規(guī)地修正國(guó)際原子時(shí)。在時(shí)間頻率變革中，中國(guó)雖然在開(kāi)始的時(shí)候沒(méi)有真正參加進(jìn)去，但是從2014年以后中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的NIM5噴泉鐘就給國(guó)際原子時(shí)做貢獻(xiàn)。 在開(kāi)爾文的重新定義方面，中國(guó)對(duì)玻爾茲曼常數(shù)的精確測(cè)定做出了實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院采用聲學(xué)氣體溫度計(jì)和噪聲溫度計(jì)兩種不同的方法精確測(cè)量了玻爾茲曼常數(shù)，測(cè)量結(jié)果均被國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）收錄。 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院做了一個(gè)類(lèi)似于瓦特天平的焦耳天平，開(kāi)展了與千克新定義相關(guān)的研究工作。

阿伏伽德羅常數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)摩爾的常數(shù)化定義非常關(guān)鍵。中國(guó)參與了阿伏伽德羅常數(shù)測(cè)量的國(guó)際合作和國(guó)際比對(duì)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院采用兩種不同的方法測(cè)量了濃縮硅的摩爾質(zhì)量，測(cè)量結(jié)果被正式采用。

五、

新的國(guó)際單位制對(duì)世界的影響

NSR: 新國(guó)際單位制對(duì)計(jì)量的總體影響是什么?

李天初：這次基于常數(shù)的基本單位定義的重新定義是向下兼容的，對(duì)于一般的應(yīng)用沒(méi)有影響，對(duì)最高端的應(yīng)用會(huì)有一些調(diào)整。但是，新的定義脫離了實(shí)物，溯源鏈更短，準(zhǔn)確度很高，覆蓋全量程，而且復(fù)現(xiàn)方法是開(kāi)放的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以用新的工藝、新的技術(shù)來(lái)復(fù)現(xiàn)。

NSR: 從您的專(zhuān)業(yè)角度來(lái)看，重新定義秒對(duì)技術(shù)應(yīng)用的具體影響是什么？

李天初：新的秒定義有利于授時(shí)過(guò)程的扁平化。例如，原來(lái)的時(shí)間和頻率是一步一步通過(guò)鐘傳遞下去的，從基標(biāo)準(zhǔn)一直傳遞到最終用戶。現(xiàn)在，GPS、北斗和格洛納斯可以在全世界完成授時(shí)功能。衛(wèi)星授時(shí)是一個(gè)扁平化的、一步到位的傳遞過(guò)程，縮短了時(shí)間頻率的傳遞鏈路，提高了授時(shí)精度。 原子時(shí)有利于統(tǒng)一大工業(yè)制造的互換性。例如，中國(guó)生產(chǎn)一個(gè)軸，想要用一個(gè)瑞典的軸承。怎么保證把瑞典軸承裝在中國(guó)的軸上，不用修正，一安裝就能使用呢？老的做法是，用中國(guó)的一個(gè)千分尺來(lái)測(cè)量中國(guó)的軸，用瑞典的千分尺測(cè)量瑞典的軸承，然后用一個(gè)量塊來(lái)校準(zhǔn)中國(guó)的千分尺，然后再把這個(gè)量塊運(yùn)到瑞典去校準(zhǔn)瑞典的千分尺。這個(gè)做法肯定能成，但非常笨。現(xiàn)在做法是，用中國(guó)的激光波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量中國(guó)的千分尺，然后用中國(guó)的原子鐘來(lái)校準(zhǔn)中國(guó)的激光波長(zhǎng)，瑞典方面也像中國(guó)一樣做。由于瑞典的時(shí)間跟中國(guó)的時(shí)間都統(tǒng)一到國(guó)際原子時(shí)上去了，用這樣的方法就可以非常可靠地保證了中國(guó)測(cè)量的長(zhǎng)度和瑞典測(cè)量的長(zhǎng)度是一致的，中國(guó)的軸和瑞典的軸承是完全可以互換的。

NSR: 您對(duì)未來(lái)修訂秒定義有何展望?

李天初：鐘的穩(wěn)定度是和名義頻率成反比的。光的名義頻率比微波的要高，所以光鐘有更好的穩(wěn)定度和不確定度。我們看到，光鐘經(jīng)過(guò)10年左右的發(fā)展，其穩(wěn)定度就已經(jīng)優(yōu)于基于銫原子噴泉的微波鐘了。目前，國(guó)際上最好的噴泉鐘的穩(wěn)定度2~4×10-16，而鐿原子光鐘在2018年的穩(wěn)定度為1.4×10-18，鋁離子光鐘的在2019年的穩(wěn)定度已經(jīng)到了9.4×10-19。國(guó)際單位制咨詢委員會(huì)（CCU）將正式總結(jié)四個(gè)基本單位的最新定義，并啟動(dòng)對(duì)秒重新定義的研究。

NSR: 您對(duì)SI重新定義的總體看法是什么？

李天初：第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)公布了基于7個(gè)常數(shù)的單位的新定義。這7個(gè)常數(shù)中有一些是確實(shí)基本物理學(xué)常數(shù)，有的甚至連物理學(xué)常數(shù)都不是。時(shí)間單位秒現(xiàn)在是基于銫頻率常數(shù)，它不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù)。國(guó)際計(jì)量大會(huì)把這7個(gè)常數(shù)統(tǒng)一叫做定義常數(shù)，把它們的值、誤差值都予以公布。 在電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量這四個(gè)單位中，安培、開(kāi)爾文和摩爾的概念很清楚。而千克是根據(jù)德布羅意-康普頓頻率定義的，這個(gè)物理概念比較生僻，所以即使是對(duì)大學(xué)低年級(jí)學(xué)生，要進(jìn)行科學(xué)普及性的解釋可能也有些困難。

責(zé)任編輯：lq