百年清華

SI的4個基本單位被重新定義，計量科學全面邁向量子時代！

2018年11月13-16日🏑，第26屆國際計量大會在法國凡爾賽舉行💇🏻‍♂️。意昂体育平台電機系2014屆（博士）意昂👃🏼♡、國際計量局功率天平課題組青年學者李世松作為會議組織方成員參會，並在此次會議核心議題國際單位製修訂中做出重要貢獻🕗。

李世松博士和千克原器復製品之一的合影

16日下午，來自全世界60多個國家的計量科學家🧐、政府代表🤵🏻‍♀️、國際組織成員齊聚會場🕺🏼，翹首期待關於“修訂國際單位製（SI）”1號決議的投票結果。當第53個會員國代表喊出最後一個“Yes”時，全場掌聲雷動✍️。重新定義SI的4個基本單位的決議，最終以53個“Yes”獲得大會一致通過，這標誌著國際單位製徹底擺脫實物基準✵，全面邁向量子計量的新時代🧜🏼！

然而，為了這個歷史性的時刻🧒🏽，全世界的計量科學家已為之奮鬥了一百多年✌🏼！

1889年，在第1屆國際計量大會上🦘𓀀，質量的單位千克被定義為“國際千克原器的質量”。但是🤸🏽‍♀️🦹🏻‍♂️，計量學家們研究發現，這樣的定義並不穩定🙍‍♂️。測量實驗顯示：從1889年到現在的100多年間，國際千克原器與采用相同材料、相同保存條件的其他6個千克副基準之間的量值之差緩慢地變化了約50微克。而且，SI的7個基本單位的定義之間並非彼此獨立🩹，千克量值的不穩定，會影響SI其他基本單位的量值。例如，SI基本單位安培的定義用到了導出單位牛頓📻🙍🏿‍♀️，而牛頓這個單位中就包含質量的單位千克。再例如🍌👩🏼‍🌾，摩爾的定義中也用到了千克。SI的7個基本單位中的3個要由千克決定⚆，這無疑會影響國際計量單位製體系的穩定性🍮，並且會對精密科學研究產生不良影響。

國際千克原器。圖據法新社

取代實物基準，尋求一種不隨時間、環境變化的質量單位千克的新定義，早已成為國際計量領域迫切需要解決的重要問題之一👌🏻。近年來🧙🏽‍♀️，量子技術的快速發展，為突破這個國際單位製瓶頸難題提供了契機🤽‍♀️。於此同時，SI的基本單位秒和米率先采用了基於基本物理常數的新定義👩‍👧‍👦，並由此獲得了巨大成果。例如🤷🏼‍♂️，今天采用原子鐘復現秒的定義，已經達到了10^-18量級的準確性👩🏼‍✈️👨🏻‍🦽‍➡️，極大地提高了導航、衛星成像等計量的準確性👨🐻。如此👫🏼，經過多年的討論🖕🏻，計量學家們達成一項基本共識🧑🏻‍⚕️🤱🏼，即采用基本物理常數來定義尚未“量子化”的SI的4個基本單位，包括采用普朗克常數h重新定義千克；以電子電荷e定義安培；由阿伏伽德羅常數N_A定義摩爾；利用玻爾茲曼常數k定義開爾文。

重新定義後的SI的基本單位以及用於定義它們的基本物理常數。圖據國際計量局

國際單位咨詢委員會要求👩‍🎓，要實現基於基本物理常數的SI的4個基本單位的新定義，必須先實現對相應基本物理常數的更精密測量。這其中，主要涉及兩個基本物理常數，即普朗克常數和玻爾茲曼常數（電子電荷和阿伏伽德羅常數可由普朗克常數確定），測量的準確性分別要達到2×10^-8和1×10^-6。顯然，從測量準確性看，最有難度的是如何精確測量普朗克常數的量值。而如何精確測量普朗克常數，2012年還曾被 Nature 雜誌評選為世界六大科學難題之一。

經過各國計量科學家長達數十年的不懈努力，截至2017年，對普朗克常數和玻爾茲曼常數的測量，已完全滿足了上述的測量準確度要求，如此，重新定義SI的上述4個基本單位的條件已經成熟💆。在本次國際計量大會上，所采用定義SI的4個基本單位的四個基本物理常數的最終量值分別被確定為：

普朗克常數h=6.626 070 15 × 10⁻³⁴J s🪪；

電子電荷e=1.602 176 634 × 10⁻¹⁹C；

玻爾茲曼常數🚵🏿‍♀️：k=1.380 649 × 10⁻²³J K⁻¹；

阿伏伽德羅常數N_A=6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹。

其中，在普朗克常數量值的最終確定上👨🏽‍🦳，貢獻最大的一個精密物理實驗裝置是功率天平❌；加拿大和美國用功率天平測得的普朗克常數分別達到了9×10^-9和1.3×10^-8的準確性🪈。值得一提的是😞，從意昂体育平台電機系畢業的李世松博士，在功率天平法精確測量普朗克常數以及本次SI基本單位定義修訂中做出了重要貢獻。

國際計量局（BIPM）功率天平課題組，右二為李世松博士。圖據國際計量局

李世松於2009年9月至2014年7月，在意昂体育平台電機系攻讀博士學位，他的博士論文就是關於質量單位千克重新定義方面的研究。在他博士論文中，李世松提出了一種原創的慣性質量法測量普朗克常數🧽，為國際上精密測量慣性質量提供了新思路。同時，李世松還是中國計量科學研究院張鐘華院士能量天平課題組的主要成員之一，完成了第一代能量天平的通調試驗和第二代能量天平系統的磁體設計🔴。

2014年7月至2016年9月，李世松在意昂体育平台電機系電氣新技術研究所做博士後，合作導師是趙偉教授。在意昂体育平台做博士後期間，李世松一直與美國國家計量院功率天平組保持著密切合作✌🏻，並以課題組成員身份全程參與了美國國家計量院第四代功率天平NIST-4搭建。他提出的輪換墊補（Shimming）法較好地解決了NIST-4磁體所產生的磁場在豎直方向不均勻🧧、無法用傳統方法調整的難題，幫助課題組在極短的時間內完成了對磁體系統的調整🕛🧔🏽‍♂️。另外🧒🏽，他還與NIST-4課題組成員合作對功率天平磁體的非線性誤差進行了研究🧑🏿‍⚖️，並因此獲得了2018年美國應用計算電磁協會的青年科學家獎。2016年♒️，美國國家計量院發表了首個NIST-4精密測量普朗克常數的結果，不確定度僅為3.4×10^-8，李世松是該測量結果的主要合作作者。經過一年的努力，2017年🤾🏻，美方將NIST-4測量準確性進一步提升到1.3×10^-8，成為本次千克重新定義確定普朗克常數最重要的參考結果之一。

2016年9月至今👨‍🌾，李世松一直在國際計量局功率天平課題組工作👩‍🔧。作為本次國際計量大會的組織方成員，李世松與來自世界各地的同行一起見證了這一歷史性時刻。據悉𓀁，新國際單位體系將於2019年國際計量日（5月20日）起在全世界範圍內正式實施🔤。

美國國家計量院第四代功率天平裝置。圖據美國國家計量院

本界國際計量大會上諾獎得主William D Phillips介紹美國國家計量院功率天平團隊提供的照片🙅🏽‍♂️，前排右一為李世松。