2018年11月召開的第26屆（jiè）國際計量大會，將包含（hán）“千克”在內的四個國際單位製（SI）基本單位重新定義，自此，我們迎來（lái）國際單位製量子化新時代。到底什麽是計量單位的量子（zǐ）化（huà），本文從計（jì）量（liàng）單位的發展（zhǎn）概況，為什麽要對SI基本（běn）單位進行（háng）重新定義，基於常數的SI基本單位定義和計量（liàng）單位量（liàng）子化演進的（de）影響等（děng）四個方麵進行簡析。

一、計量（liàng）單（dān）位的發展概況

自（zì）從人類有了商品交換（huàn）以後就有了計量（liàng）。早期出（chū）現（xiàn）的計量單位的定義（yì）取決於人的主觀意誌，它們往往以人體某（mǒu）個部位或自然物體為基（jī）準。在我國古書中有“布指知寸、布手知尺、舒臂為尋”“舉步為跬、倍（bèi）跬為步”的記載。在古埃及，人們以自肘至指尖的長度（dù）作為一個腕尺，並以此（cǐ）建造出了金字塔。在英國（guó），英王亨利一世的手臂向前平伸，以其鼻尖至指尖的（de）距離定（dìng）為一英寸（2.54cm）。此外，還有的用一百粒麥子排成直線（xiàn）的長（zhǎng）度作為計量（liàng）單位基準。

主觀意誌決（jué）定計量單位，導致的直接後果（guǒ）是計量單位的雜亂無（wú）章，嚴重阻礙人類社會的發展。1791年，“米”的定義誕生了（le），即（jí）把經（jīng）過巴黎的地球子午線長度的4000萬分之一定義為1米。從1792年至1799年，法國天文學家利（lì）用7年時（shí）間完（wán）成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。1799年，法國科學院根據測量（liàng）結果製作了1米（mǐ）的（de）長度基準——米原（yuán）器，從此產生（shēng）了以實物（wù）基準為代表的計量製度（dù）——米製。1875年5月20日，17個國家的代表在法國巴黎正式簽署《米製公約》，確定米製為國際通用的計（jì）量單位。

盡管地球（qiú）非常龐大，但（dàn）它的各種宏（hóng）觀（guān）參數一直在緩慢變化，其運動周期的穩定性並不是（shì）很高。國際米（mǐ）原器的精確度隻有0.1微米，並且（qiě）難以（yǐ）複（fù）現，容易損壞，隨時間會有緩慢地變（biàn）化（huà）。隨著人類對微觀世界的認識不斷深入，人類開始利用更為穩定（dìng）和精準的微觀量子活動規律作為基準去定義計（jì）量單（dān）位。量子計量基準基於量子物（wù）理學中闡明的（de）微觀粒子的運動規律，利用特定躍（yuè）遷（qiān）現象來複現計量（liàng）單位。第（dì）一個付諸實用的量子計（jì）量單位是米，它是利用⁸⁶Kr原子在兩個能級之間發生特定躍遷時所發射的光波的波長作為長度基準。1967年，以銫原子特（tè）定能級之間的躍遷頻率對時間單位秒的量子（zǐ）化（huà）定義，使秒（miǎo）成為（wéi）最著名和最成功的量子化計量單位。

量子計量基準的準確性也受限於一些物理法則，例如，量子計量（liàng）基準的低不確定度源於微觀粒子在（zài）能級間的（de）特定躍遷的高穩定性，而從目前的物理學知識來看，自然常量（liàng）(如真空中光（guāng）速c、普朗克常數h、玻爾茲（zī）曼常數k、電子電荷e等)是恒定不變的，而且不依賴於具體（tǐ）物（wù）理過程。基於自然常數定義計量單位，不僅會有更高的（de）穩定度，還會有很好的普適性。1983年，長度單位米基於自然常數光速c定義，米的定義改為“光在真空中（zhōng）在1/299792458秒的時（shí）間間（jiān）隔內所行進的路程的長度”。這樣的定義（yì）實際（jì）上把光速定義（yì）成（chéng）了計量基準,而長度（dù）單位米則成了導出單位。這種定義的特點表現在,今後（hòu）隨著實驗（yàn）技術的提高,長度（dù）單位米的不確定度可（kě）以不斷改進而（ér）無需（xū）改動米的定義。因此，用自然常數（shù）定義的計量單位從準確度、普適性方麵大大優於以往的單位定義方法。

二、為什麽要對SI基本單位進行（háng）重新定義（yì）

1.當前SI基本單位定義存在問題

現在計量單位的定義使用了多（duō）種方式，有實物原器（qì）,如（rú）國際千克（kè）原器（IPK）；有特（tè）定的物（wù）理狀態，如開爾文的定（dìng）義使用水的三相點；還有理想化的實驗方式，例如安培的定義；或自然常數，例如用光速來定（dìng）義單位米。

對於日常規模的測量而言，目前的國際單位製定義已經足夠。但是，對現代科學中的極端場景來說，SI這套工具就很糟糕,而且單位定義在某個特定的量級上，則遠（yuǎn）離的（de）量級越遠不確定度越大。例如，目前，毫克量級的測量，其最（zuì）小相對不確定度至少是千克量級測量的2500倍。開爾文（wén）的定義是基於水三（sān）相點的定義值，即冰、液態水（shuǐ）和水蒸氣共存時（shí）的溫度（定義為（wéi）273.16開爾文（wén））。當測量與水三相點相差巨大的溫度（dù）時（比如在1500℃以上加工金屬），要想準確地測（cè）出這一溫度比水三相點相差多（duō）少，就變得異常（cháng）困難。

為了實際使用，計量單位不僅需要被（bèi）定義，而且（qiě）為傳遞還必須物理上得到複現。如果單位的定義是（shì）理想（xiǎng）狀態（tài）的，而要想按照（zhào）定義複現它就存在諸多不便。例如，電流單位安培定義中的“無限長”“圓截麵可忽略”等要素，在單位複現時都將引起難以（yǐ）克服的困難。

2.基於人工實物（wù）基準的單（dān）位定義存在弊（bì）端

就人工（gōng）實物來說，定義和複現是（shì）等效的，這雖然簡單明（míng）了，但實物原器會發（fā）生變化以及被損傷和（hé）損壞。國際千克原器(IPK)從1889年起就可能開始產生未知的（de）變化和漂（piāo）移，但它卻一直保持著（zhe）定義標準的地位，而（ér）且從（cóng）世界各地（dì）到巴黎去溯源也是一項艱巨的任務。

3.對千克等單位重新定義的條件已（yǐ）經（jīng）成熟

對計量單位的重新修訂，是人們對計（jì）量單位長期穩定性的（de）訴求。如果能複現基（jī）本單位的具體技術手段，可以隨（suí）著科學技（jì）術的進（jìn）步而不斷與時（shí）俱進，而基本（běn）單位的（de）定義可以無需（xū）更改（gǎi），那這樣的基本單位製將更加科學，也可在更長的時期內為人（rén）們服務。

對千克等（děng）單位的重新定義，也已（yǐ）經進（jìn）行了多年的討論，2007年國際計量大會要求（qiú）國際計量局（jú）及各國計量研究機構積（jī）極開展與SI基本單位重新定義有關的研究。經過無數計量學家的不懈努（nǔ）力，解決方案（àn）已相繼（jì）達到標準（zhǔn）要（yào）求，而且根（gēn）據現有（yǒu）經驗，自然（rán）常數的確定完全可以達到相（xiàng）應（yīng）的準確度，對千克等單位重新定義的條件已經成熟。 

三、基於常數的SI基本單位定義

找到恒久不變的基準，一直是人類的夢想。計量（liàng）單位（wèi）的量子化定義（yì），實際上是使用不變的自然法則創建不變的測（cè）量規則，而（ér）自然（rán）界常數（shù）的使用，能夠實現從最小的測量量（liàng）到（dào）最（zuì）大（dà）的測量量，將原子（zǐ）和量子尺（chǐ）度的測量與宏觀層麵的測量聯係起（qǐ）來（lái）。

在之前國際單位製單位定義的測（cè）量體係（xì）中,自然常數的值（zhí）是由原定義的單位給定的,其數值由測量能力決定,這就導致基本常數的值總（zǒng）是處於不斷變化之中。新修訂的國際單位製完全基於自（zì）然常數, 且常數的值（zhí）將固定不（bú）變，不確定度為0，計量單位將通過自然常數本身定義（yì）或常數定義的公式導出（chū）。因為自然常數恒定,單位製的基礎將是最堅實可靠且“普遍適用（yòng）”的。

例如，質量的單（dān）位（wèi）千（qiān）克，它基於普朗克常數h 的定義公式進行定（dìng）義，普朗克常數（shù）h等於6.626 070 15×10^-34kg m² s^-1，使這個關係倒置，便可以導出千克的定義表達式：

而表達（dá）式中長度單（dān）位米（m）和時間單位秒（s）是（shì）依據光速常數（c）和銫133原子基（jī）態能級躍遷頻率（Δν_Cs）定義。因此，就可（kě）以根（gēn）據常數h、Δν_Cs和c值導出一（yī）個千克的常數表（biǎo）達式：

以前的千（qiān）克定義（yì）由國際千克原器的質量值m(K)確（què）定，m(K)精確地等於1千（qiān）克，普朗克常數h的值必須通過實驗來確定。千克的量子化（huà）定義首先精（jīng）確地確定了h的值，而原器的質（zhì）量現在必須通過實驗來確定。

四、計量單位量子化的影響（xiǎng）

計量單位對人們日常（cháng）生產生活的影響（xiǎng）是潛移默化的。計量單位量子化定（dìng）義後（hòu）,人們的日常測量活動與以（yǐ）前沒有（yǒu）明（míng）顯不同,從超市中的電子秤到工（gōng）業大（dà）尺寸坐標測量機（jī）, 再到實驗室中的全血細胞計數，定義（yì）修訂前後測量的數值都是一樣的。

但計量（liàng）單位（wèi）的量子化定義能保證SI單位的未（wèi）來能力，為未來發展奠定基礎,所帶來的進步將會逐（zhú）漸（jiàn）顯現出來。一是計（jì）量單位的量子化定義,能（néng）夠不斷（duàn）通過提高測量（liàng）水平來提高單位複現的（de）準（zhǔn）確度,而（ér）不需要改（gǎi）變單位的基本定義。二（èr）是實現國際計（jì）量基準的量子化、量值傳遞溯源（yuán）的（de）扁平（píng）化，將可形成先進的多級全（quán）球計量量值中心或區域計量中心（xīn）並開展量值傳（chuán）遞溯源。三是將有力支撐（chēng）新一輪技術革命，引（yǐn）發一大批技術產（chǎn）業的革命性創新發展。四是基於自然物理常數的計量單（dān）位量子化定義，原則上可在整個宇宙範圍內通用,將引領人類的步伐邁向地球之外的（de）廣闊空間。

追求精準，“進（jìn）”無止境。精確度的每一（yī）步提升都引發了一場技術（shù）革命。計量單位的量子化，正改變著我們的未來，但永恒不變（biàn）的是人類對精準的追求。