百年清华

SI的4个基本单位被重新定义，计量科学全面迈向量子时代！

2018年11月13-16日，第26届国际计量大会在法国凡尔赛举行。清华大学电机系2014届（博士）校友、国际计量局功率天平课题组青年学者李世松作为会议组织方成员参会，并在此次会议核心议题国际单位制修订中做出重要贡献。

李世松博士和千克原器复制品之一的合影

16日下午，来自全世界60多个国家的计量科学家、政府代表、国际组织成员齐聚会场，翘首期待关于“修订国际单位制（SI）”1号决议的投票结果。当第53个会员国代表喊出最后一个“Yes”时，全场掌声雷动。重新定义SI的4个基本单位的决议，最终以53个“Yes”获得大会一致通过，这标志着国际单位制彻底摆脱实物基准，全面迈向量子计量的新时代！

然而，为了这个历史性的时刻，全世界的计量科学家已为之奋斗了一百多年！

1889年，在第1届国际计量大会上，质量的单位千克被定义为“国际千克原器的质量”。但是，计量学家们研究发现，这样的定义并不稳定。测量实验显示：从1889年到现在的100多年间，国际千克原器与采用相同材料、相同保存条件的其他6个千克副基准之间的量值之差缓慢地变化了约50微克。而且，SI的7个基本单位的定义之间并非彼此独立，千克量值的不稳定，会影响SI其他基本单位的量值。例如，SI基本单位安培的定义用到了导出单位牛顿，而牛顿这个单位中就包含质量的单位千克。再例如，摩尔的定义中也用到了千克。SI的7个基本单位中的3个要由千克决定，这无疑会影响国际计量单位制体系的稳定性，并且会对精密科学研究产生不良影响。

国际千克原器。图据法新社

取代实物基准，寻求一种不随时间、环境变化的质量单位千克的新定义，早已成为国际计量领域迫切需要解决的重要问题之一。近年来，量子技术的快速发展，为突破这个国际单位制瓶颈难题提供了契机。于此同时，SI的基本单位秒和米率先采用了基于基本物理常数的新定义，并由此获得了巨大成果。例如，今天采用原子钟复现秒的定义，已经达到了10^-18量级的准确性，极大地提高了导航、卫星成像等计量的准确性。如此，经过多年的讨论，计量学家们达成一项基本共识，即采用基本物理常数来定义尚未“量子化”的SI的4个基本单位，包括采用普朗克常数h重新定义千克；以电子电荷e定义安培；由阿伏伽德罗常数N_A定义摩尔；利用玻尔兹曼常数k定义开尔文。

重新定义后的SI的基本单位以及用于定义它们的基本物理常数。图据国际计量局

国际单位咨询委员会要求，要实现基于基本物理常数的SI的4个基本单位的新定义，必须先实现对相应基本物理常数的更精密测量。这其中，主要涉及两个基本物理常数，即普朗克常数和玻尔兹曼常数（电子电荷和阿伏伽德罗常数可由普朗克常数确定），测量的准确性分别要达到2×10^-8和1×10^-6。显然，从测量准确性看，最有难度的是如何精确测量普朗克常数的量值。而如何精确测量普朗克常数，2012年还曾被 Nature 杂志评选为世界六大科学难题之一。

经过各国计量科学家长达数十年的不懈努力，截至2017年，对普朗克常数和玻尔兹曼常数的测量，已完全满足了上述的测量准确度要求，如此，重新定义SI的上述4个基本单位的条件已经成熟。在本次国际计量大会上，所采用定义SI的4个基本单位的四个基本物理常数的最终量值分别被确定为：

普朗克常数h=6.626 070 15 × 10⁻³⁴J s；

电子电荷e=1.602 176 634 × 10⁻¹⁹C；

玻尔兹曼常数：k=1.380 649 × 10⁻²³J K⁻¹；

阿伏伽德罗常数N_A=6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹。

其中，在普朗克常数量值的最终确定上，贡献最大的一个精密物理实验装置是功率天平；加拿大和美国用功率天平测得的普朗克常数分别达到了9×10^-9和1.3×10^-8的准确性。值得一提的是，从清华大学电机系毕业的李世松博士，在功率天平法精确测量普朗克常数以及本次SI基本单位定义修订中做出了重要贡献。

国际计量局（BIPM）功率天平课题组，右二为李世松博士。图据国际计量局

李世松于2009年9月至2014年7月，在清华大学电机系攻读博士学位，他的博士论文就是关于质量单位千克重新定义方面的研究。在他博士论文中，李世松提出了一种原创的惯性质量法测量普朗克常数，为国际上精密测量惯性质量提供了新思路。同时，李世松还是中国计量科学研究院张钟华院士能量天平课题组的主要成员之一，完成了第一代能量天平的通调试验和第二代能量天平系统的磁体设计。

2014年7月至2016年9月，李世松在清华大学电机系电气新技术研究所做博士后，合作导师是赵伟教授。在清华大学做博士后期间，李世松一直与美国国家计量院功率天平组保持着密切合作，并以课题组成员身份全程参与了美国国家计量院第四代功率天平NIST-4搭建。他提出的轮换垫补（Shimming）法较好地解决了NIST-4磁体所产生的磁场在竖直方向不均匀、无法用传统方法调整的难题，帮助课题组在极短的时间内完成了对磁体系统的调整。另外，他还与NIST-4课题组成员合作对功率天平磁体的非线性误差进行了研究，并因此获得了2018年美国应用计算电磁协会的青年科学家奖。2016年，美国国家计量院发表了首个NIST-4精密测量普朗克常数的结果，不确定度仅为3.4×10^-8，李世松是该测量结果的主要合作作者。经过一年的努力，2017年，美方将NIST-4测量准确性进一步提升到1.3×10^-8，成为本次千克重新定义确定普朗克常数最重要的参考结果之一。

2016年9月至今，李世松一直在国际计量局功率天平课题组工作。作为本次国际计量大会的组织方成员，李世松与来自世界各地的同行一起见证了这一历史性时刻。据悉，新国际单位体系将于2019年国际计量日（5月20日）起在全世界范围内正式实施。

美国国家计量院第四代功率天平装置。图据美国国家计量院

本界国际计量大会上诺奖得主William D Phillips介绍美国国家计量院功率天平团队提供的照片，前排右一为李世松。