百年清華

2018年11月13日至16日，第二十六屆國際計量大會（CGPM）在巴黎舉行。會議通過了關於“修訂國際單位製（SI）”的決議A。根據決議A，國際單位製的四個基本單位，即千克🤶🏻、安培、開爾文和摩爾📭，分別由普朗克常數h🍋，基本電荷常數e🚨，玻爾茲曼常數k和阿伏加德羅常數NA定義。這樣👪，就基於一系列常數在SI中建立了基本量和單位👞。新的國際單位製已於2019年5月20日正式啟動👩‍👩‍👦‍👦。這是自1875年5月20日《米製公約》簽署以來計量學史上最重大的變化和裏程碑。李天初研究員是中國工程院院士（1970年畢業於意昂体育平台工程力學系）➛，他在長達37年的時間裏一直致力於時間和頻率標準相關的研究👏🏿。在這次NSR訪談中，李天初回顧了秒和米的量子化和常數化演變，並介紹了安培🔳、開爾文、千克和摩爾的重新定義及其對精密測量的意義👨‍🦽‍➡️☔️。

李天初👩🏽‍🚀🤽‍♀️，中國計量科學研究院研究員🤶，時間和頻率標準方面的著名科學家（王謹提供）

一、基本計量單位的量子化

NSR: 什麽是計量？

李天初：為了說明什麽是計量🧑🏼‍🏭，計量為什麽重要，我首先舉一個實例👂🏻。2012年，Nature News報道了一個中微子超光速傳播的實驗結果，並引起了比較大的轟動。一束中微子從位於瑞士的歐洲核子中心（CERN）傳播到位於意大利的格蘭薩索國家實驗室（LNGS），中微子經過了730公裏的路途⚈，所用的時間比光速快了60納秒🕵🏽。但一個月之後🔻，人們就發現這個實驗結果是由時間測量錯誤造成的👸。這說明測量在科學實驗裏扮演著非常重要的角色。對某個物理量的計量必須保證在不同地點、不同時間🫙、用不同方法測量得到的量值是準確一致的⏸。如果不一致，會顛覆整個物理學的基礎。

計量學起源於貿易往來👩🏼‍🎤，是在大工業時期大規模生產的可互換需求中形成的，並 在科研和國防工業中得到發展。現代計量學始於《米製公約》⚱️。在法國大革命統一米製和英國產業革命的基礎上，17個國家於1875年5月20日（國際計量日）簽訂了《米製公約》🤦🏽，中國也於1976年加入米製公約組織🚖。米製公約組織的最高機構是國際計量大會（CGPM）；第二級機構是國際計量委員會（CIPM）🏊🏻‍♂️，CIPM是做技術的；第三級機構是國際計量局（BIPM），BIPM是常設巴黎的技術機構，負責協調和保存基標準的量值和溯源的比對；BIPM下面是各個國家的計量院，世界上大多數國家都有自己獨立的計量院。

計量就是關於測量的科學，但是這種測量是溯源到基準的。如果大家都溯源到公認的基準，就可以保證測量和計量體系是統一的。現在👮🏼‍♂️🛣，世界各國都使用一個共同的計量基準🕊。從這些基準出發，通過一條不間斷的溯源鏈，可讓終端用戶的測量溯源回到基標準🦻🏽。另外❤️👩🏽‍💼，BIPM還要開展一系列的比對工作，來保證每個溯源鏈和基準工作的正常運作。絕大多數國家都參加了米製公約組織🚬，米製公約組織的最大貢獻就是建立了統一的國際單位製（SI）。

NSR: 國際單位製中有哪些基本單位？

李天初：國際單位製中的基本單位主要是物理學單位👩。SI始於1795年，經過不斷地增加、完善、成型，到1971年形成了7個基本單位🕊，其它的所有物理量都可以從這7個基本單位推導出來⛪️🏰。7個基本單位是時間單位秒(s)、長度單位米(m)、質量單位千克(kg)👨🏽‍🚀、電流單位安培(A)、溫度單位開爾文(K)、物質的量單位摩爾(mol)和發光強度單位坎德拉(cd)👩‍🏫。其中🏇，物質的量是半物理半化學的單位，發光強度有點特殊性，要依賴人眼視覺系數。我今天主要談論前六個單位的常數化定義。

NSR: 基本單位量子化的想法始於何時🚘？

李天初：基本單位量子化的最早的推動人應該是普朗克和麥克斯韋。普朗克曾經說“……借助基本常數，我們可能實現長度、時間、質量和溫度的單位💪🏿，這些單位橫貫宇宙， 持續永恒🧔🏽，適於所有的文明…”

NSR: 這次國際單位製的改革是什麽？

李天初🔂：在計量發展的初期階段，7個基本單位的定義都依賴實物基準🦻🏽，比如長度單位米定義為鉑銥合金米原器上兩條刻線之間的距離，質量單位千克定義為鉑銥合金千克原器（30幾毫米長30幾毫米直徑的圓柱體）的質量。二十世紀中葉以後，隨著量子物理的發展和成熟，基本單位的定義由實物基準過渡到量子基準成為新的發展趨勢。現在時間和長度都已經實現了量子化，並且實現了基於常數的重新定義。第26屆國際計量大會的主要成果是把千克👁‍🗨、安培、開爾文和摩爾四個單位用常數重新定義了。

李天初 (右三) 與中國代表在第26屆國際計量大會上（李天初提供）

二🏘、秒的量子化定義

NSR: 秒的量子化定於始於何時？

李天初：人類對時間的認識開始於天文觀測🚣🏿。基於地球自轉的世界時間和基於地球公轉的歷書時間組成了天文時間🖖🏽。格林尼治天文臺自從1871年10月1號起正式發布天文時間。1955年🪻，英國國家物理實驗室的埃森和帕裏做成了第一臺銫原子鐘；同年🧑🏽‍⚖️📳，美國海軍天文臺和英國國家物理實驗室合作🛖，用天文秒測量了銫的頻率，測量結果為9192631770 Hz🫡，雖然那次測量的精度只有10-9，但那件事是非常重要的🤾🏽‍♂️，它標誌著一個新定義從一個老定義中脫胎而出。1967年☃️，國際上正式廢除了天文秒的定義，而把1秒定義成Cs-133原子的超精細能級輻射9192631770個周期的時間🫲，這是秒的第一個量子化定義👨‍⚕️。從那以後🌈，時間單位秒的定義，就從天文學過渡到物理學測量的階段了🚣🏿。

英國國家物理實驗室實現的第一臺銫鐘🦅，實際上是一臺基準鐘☂️🦸🏻‍♂️。此那以後📔，基準鐘不斷地進化👾。1995年🎪，法國實現了第一個基於激光冷卻的銫原子噴泉鐘📓。2014年，中國實現第一臺銫原子噴泉鐘，該鐘同年通過了國際評審並參與駕馭國際原子時。現在，中國正在做第二臺銫噴泉基準鐘，它的初步不確定度已經達到6×10-16🤸🏼‍♀️🚪。

NSR: 國際標準時間是如何產生和發布的？

李天初：光有基準還不夠🦏，還需要守時。把守時鐘加權平均可產生原子時間，原子時間是非常可靠的👨‍👨‍👧‍👦，因為守時用的不是一臺鐘，而是一組鐘。

目前，國際上大約有80個守時實驗室🕺🏽、500臺守時鐘參與了國際計量局主導的國際原子時合作👩🏽‍⚖️，把500臺商品鐘的數據加權平均就產生自由原子時（EAL）。自由原子時既可靠，又穩定，但不夠準確。國際上有基準鐘的國家不定期地向國際計量局報數🕡，用報數的結果駕馭（修正）自由原子時🙏🏻，經過基準鐘修正的自由原子時叫做國際原子時（TAI）。

國際原子時運行一段時間之後，會與天文時發生偏差。位於法國的國際地球自轉組織，負責測量原子時和天文時(UT1)之間的差🫃🏻，當時間差快接近0.9秒時 就發出一個通告，在全世界範圍內加一次閏秒🙋🏿‍♂️，經過閏秒修正的國際原子時就是協調世界時（UTC）。協調世界時就是現在全世界範圍內的通用時間了。

每隔30天🧑🏼‍🏭，協調世界時以時間通報（T通告）的方式反饋給守時實驗室，各個守時實驗室再根據從T通告反饋回來的數據和自己上報數據的差修正自己的時間，產生更準確的本地原子時間UTC（k）👨🏿‍🏫，其中k是實驗室的縮寫。例如👨🏻‍🦲➰，迄今為止，中國有三個實驗室參與了自由原子時，UTC（NIM）🫵🏿，UTC（NTSC）和UTC（BIRM）分別是中國計量科學研究院（NIM）、中國科學院國家授時中心（NTSC）和北京無線電計量測試研究所（BIRM）的本地原子時。

三、第一個用物理常數定義的單位💲🧑🏻‍🎤：米

NSR: 米的常數化定義始於何時？

李天初：長度單位最早是從自然基準產生的。1792年🆓，法國計量院委托了兩位科學家用大地測量的三角法，嚴格測量了從敦刻爾克經過巴黎到巴塞羅那這一段地球子午線四分之一弧長的長度👨🏼，再用地球子午線長度的四千萬分之一定義了米💁🏻‍♀️，以此為依據製作了國際米原器（IPM）。

1892-1893年💮，邁克爾遜用米尺測量了鎘光譜的波長。1960年，第11 屆國際計量大會決定把米的定義廢除，而改換成氪-86光譜燈譜線的波長。用光譜燈光源，就可以根據米的定義用幹涉儀測量長度。這是米的第一個真正意義上的量子化定義。

激光誕生之後不久，穩頻激光完全取代了氪燈，有很多人建議用激光的波長來代替氪燈重新定義米👨‍👩‍👧，但在究竟采用哪個波長的問題上產生了長久的爭論👨‍👨‍👧。1972年，埃文森用波長作為標準重新測量了光速🩸，不確定性較好。1975年，第15屆國際計量委員會把光速值定為無誤差常數📬。1983年🫰🏻👩🏻‍🦯，長度單位米由物理公式來定義，即l = c t🤓，l 是長度🌉，c 是真空中的光速☮️，t 是時間。因為時間已經定義了👼，其準確度遠遠高於其它的量📆。這樣👷🏿‍♀️，長度的單位米就成為第一個用物理常數定義的單位👷🏼。

NSR:米和秒之間有何聯系?

李天初▶️：實現長度單位的方法有多種。最重要的一種方法是通過光學梳將激光頻率溯源到微波頻率，然後直接將其回溯到秒定義。這樣，秒的定義轉換為光波長🛌🏻，秒與米密切相關🤦🏻‍♀️。

單位重新定義的歷程可簡單概括為：用舊的單位的定義來測量一個常數，然後定義這個常數🚉，基於這個常數重新定義單位↩️，常數的實驗測量成為復現新定義的方法之一。

四、用常數定義的其他四個單位

NSR: 第26屆國際計量大會是如何重新定義安培、開爾文🏌🏽、千克和摩爾四個單位的👨‍🏭？

李天初💱：電流的單位安培的老的定義非常復雜且很難實現🦸🏻‍♂️。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😂，把它的數值作為無誤差常數固定下來🤚🏿，每秒通過的電子電荷（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，就是每秒鐘通過的n=1/e 個電荷就叫一個安培🈚️。現在復現安培的方法還是用歐姆定律，通過測量電壓和測量電阻，然後算出電流來🕯🛗。電壓和電阻的復現方法都已經實現量子化了。

溫度單位開爾文的老定義是水的三相點🌼，把水的液態、固態👮🏼、氣態三相態的溫度定為273.16 K。這看起來是很科學、很合理的🪮，但是水的三相點依賴於水的同位素的組成，我們可以測量水的同位素的組成，但還沒有辦法控製水的同位素的組成🦴。開爾文的新定義的物理原理是🏂🏽，能量的變化就等於玻爾茲曼常數乘以溫度的變化，ΔE = k ΔT，其中E 是能量🩴，k 玻爾茲曼常數🪴，T 是溫度🤸🏿‍♂️。新的溫度的定義就轉變成要準確測量玻爾茲曼常數。

質量單位千克的舊定義是國際千克原器（IPK）。新的定義基於兩個公式😏。質量(m)、普朗克常數(h)、物質波的頻率(v)、光的真空光速（c）之間的關系為👰🏻‍♀️：E = h v= m c2🕉，德布羅意-康普頓頻率等於c2 / h的宏觀質量就叫做1千克。千克的復現用基布爾(瓦特)天平來實現，即把質量的測量過渡到電的測量。

物質的量的單位摩爾定義為一定體積之內的原子或者粒子數2️⃣，即基於一定數量的粒子來定義，將不再依賴於質量的單位千克。把阿伏伽德羅常數NA=6.022140 76×1023的數值作為無誤差常數固定，1摩爾精確包含6.022 140 76×1023個基本粒子，該數即為以單位mol-1表示的阿伏伽德羅常數NA的固定數值👍🏼，即1 mol = 6.022 14076×1023/ NA。

NSR: 中國對國際單位的重新定義有何貢獻?

李天初🚣🏿‍♀️：在秒的量子化定義方面🖥，國際上有九個國家參與國際原子時的駕馭，但是從2016年8月到現在，實際只有德、法、俄🕷、中、意這五個國家在比較正規地修正國際原子時。在時間頻率變革中👐🏽，中國雖然在開始的時候沒有真正參加進去，但是從2014年以後中國計量科學研究院的NIM5噴泉鐘就給國際原子時做貢獻。

在開爾文的重新定義方面🫱🏽，中國對玻爾茲曼常數的精確測定做出了實質性的貢獻📛。中國計量科學研究院采用聲學氣體溫度計和噪聲溫度計兩種不同的方法精確測量了玻爾茲曼常數🦘🏋🏿‍♀️，測量結果均被國際科學技術數據委員會（CODATA）收錄🫅🏼。

中國計量科學研究院做了一個類似於瓦特天平的焦耳天平🦚，開展了與千克新定義相關的研究工作🤷🏽🧑🏻。

阿伏伽德羅常數的準確測定對摩爾的常數化定義非常關鍵🤦🏽‍♀️。中國參與了阿伏伽德羅常數測量的國際合作和國際比對🧎。中國計量科學研究院采用兩種不同的方法測量了濃縮矽的摩爾質量，測量結果被正式采用🛃。

五、新的國際單位製對世界的影響

NSR: 新國際單位製對計量的總體影響是什麽?

李天初：這次基於常數的基本單位定義的重新定義是向下兼容的🐽，對於一般的應用沒有影響，對最高端的應用會有一些調整。但是🌛，新的定義脫離了實物，溯源鏈更短，準確度很高，覆蓋全量程🕹🤦🏽，而且復現方法是開放的。隨著技術的進步，可以用新的工藝、新的技術來復現。

NSR: 從您的專業角度來看👩‍👩‍👧‍👧，重新定義秒對技術應用的具體影響是什麽♒️？

李天初：新的秒定義有利於授時過程的扁平化。例如，原來的時間和頻率是一步一步通過鐘傳遞下去的🚹，從基標準一直傳遞到最終用戶💳。現在，GPS、北鬥和格洛納斯可以在全世界完成授時功能🕒。衛星授時是一個扁平化的、一步到位的傳遞過程，縮短了時間頻率的傳遞鏈路，提高了授時精度。

原子時有利於統一大工業製造的互換性🤕。例如，中國生產一個軸➗，想要用一個瑞典的軸承🪓。怎麽保證把瑞典軸承裝在中國的軸上，不用修正，一安裝就能使用呢？老的做法是，用中國的一個千分尺來測量中國的軸，用瑞典的千分尺測量瑞典的軸承，然後用一個量塊來校準中國的千分尺👩🏽‍🦳，然後再把這個量塊運到瑞典去校準瑞典的千分尺🧜🏻‍♀️。這個做法肯定能成，但非常笨。現在做法是，用中國的激光波長來測量中國的千分尺，然後用中國的原子鐘來校準中國的激光波長，瑞典方面也像中國一樣做。由於瑞典的時間跟中國的時間都統一到國際原子時上去了，用這樣的方法就可以非常可靠地保證了中國測量的長度和瑞典測量的長度是一致的，中國的軸和瑞典的軸承是完全可以互換的。

NSR: 您對未來修訂秒定義有何展望?

李天初：鐘的穩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定度和不確定度👵🏿。我們看到，光鐘經過10年左右的發展，其穩定度就已經優於基於銫原子噴泉的微波鐘了。目前，國際上最好的噴泉鐘的穩定度2~4×10-16，而鐿原子光鐘在2018年的穩定度為1.4×10-18，鋁離子光鐘的在2019年的穩定度已經到了9.4×10-19。國際單位製咨詢委員會（CCU）將正式總結四個基本單位的最新定義，並啟動對秒重新定義的研究。

NSR: 您對SI重新定義的總體看法是什麽🥛？

李天初：第26屆國際計量大會公布了基於7個常數的單位的新定義。這7個常數中有一些是確實基本物理學常數🦤，有的甚至連物理學常數都不是。時間單位秒現在是基於銫頻率常數𓀎，它不是一個嚴格的常數🧟‍♂️👨🏽‍🎨。國際計量大會把這7個常數統一叫做定義常數🚴🏽‍♂️，把它們的值🤚🏼、誤差值都予以公布。

在電流➔、熱力學溫度、物質的質量和數量這四個單位中，安培👩🏽‍🦳、開爾文和摩爾的概念很清楚。而千克是根據德布羅意-康普頓頻率定義的，這個物理概念比較生僻，所以即使是對大學低年級學生，要進行科學普及性的解釋可能也有些困難。

（作者為中國科學院武漢物理與數學研究所研究員）