2018年11月13-16日，第26届国际计量大会(CGPM)在巴黎召开。巴黎时间11月16日13时左右，53个国际计量局（BIPM）正式成员国的代表（有一国没来）聚首凡尔赛会议中心，表决通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议，千克、安培、开尔文和摩尔的定义被重新修订。对我来说，从高中学物理开始头脑中的一个疑团终于解开了，让我很有冲动写一篇文章分享体会。

一、简单介绍一下国际单位制和七个基本物理量

日常生活中，我们会接触到各种“物理量”，无论你是否知道它们在物理学上被称为“物理量”，你都要和这些概念打交道。比如，长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率、......。我们也会对有些物理量的单位很熟悉，比如长度的单位有米、千米（公里）、纳米、微米、尺、寸、丈、英里、海里、天文单位、光年等等；再比如质量的单位有千克、克、吨、斤、两等等。

同一物理量不同单位之间有着换算关系，这很容易让人理解；其实不同物理量之间也可能有着计算关系（注意不是换算关系）。比如，我们说“力”这个物理量，我们定义“力是物体与物体之间的相互作用，力的作用可以改变物体的运动状态”，根据这个概念定义，我们能够定义出“力”这个物理量的单位，比如“牛顿”，我们规定1牛顿是使质量为1千克的物体产生1米/秒^2加速度的力，因此  ；再比如压强的单位“帕斯卡”，被定义为在1平方米上作用1牛顿的力所产生的压强，因此  。这种关系就是不同物理量的单位之间的计算关系。

物理量有成百上千个，每个物理量都有若干个单位，为了更好的计量和测算，需要对每个物理量的每个单位给出准确的定义。近百年前，各国科学工作者在一起制定了一套计量体系，被称为“国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。国际单位制中规定了七个基本物理量和它们的“主单位”，并给出了这七个主单位的标准定义，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到（类似于上面牛顿、帕斯卡与千克、米和秒的关系）。

这七个基本物理量和它们的主单位分别是：时间单位 秒（s）、长度单位 米（m）、质量单位 千克（kg）、电流强度单位 安培（A）、热力学温度单位 开尔文（K）、物质的量单位 摩尔（mol）、发光强度单位 坎德拉（cd）。

二、国际单位制基本物理量主单位的定义与困惑

人们最早定义这些物理量的单位大小的时候，采用的方法是很直接的。比如定义长度的单位米，采用的方法是制作了一个国际米原器，定义它的长度为1米；再比如定义质量的单位千克，也是制作了一个国际千克原器，定义它的质量为1千克。（本文的标题图片就是国际千克原器的照片，当然它马上就要进入历史的博物馆了。）还有，最早定义时间的单位时，就采用了定义地球自转一周的时间为1天，然后把1天分为24个小时，把1小时分为60分钟，再把1分钟分成60秒，从而得到了秒的标准；早期定义温度的时候（摄氏温标），把冰水混合物的温度规定为0摄氏度，把1标准大气压下沸水的温度规定为100摄氏度，把它们之间的温度平均分为100份，每份就是1摄氏度。

在我上高中的时候，国际单位制的部分物理量主单位的定义已经进行了优化调整。

比如时间单位秒，原来靠“平均太阳日”的1/86400定义，后来又改为天文学协会规定的回归年定义为“1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747”，这些都不足够精准。到了1967年，国际计量大会把秒的定义修正为“秒是铯－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期的9192631770倍的持续时间”。这是基于量子物理学能态跃迁理论给出的更加精准的定义。

再比如长度单位米，使用米原器的定义方法显然是很粗造的，米原器会热胀冷缩，会随着时间的流逝而发生长度变化，人们在几次修改了米的定义后，终于在1983年决定以光速为常数来定义长度单位米，“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。这是基于十九世纪末麦克斯韦电磁学理论和爱因斯坦狭义相对论的基础光速不变性，利用光速为常数给出的长度的更精准定义，当然这个长度定义要基于时间单位秒的定义。

从这两个物理量主单位定义的修正优化来看，毫无疑问，物理量单位标准定义是随着人们对于物理学规律认识的深化而不断优化的。如果我们根本没有认识到量子理论，没有认识到量子化能级的存在，没有认识到能态跃迁会辐射特定频率的光子，就不可能有今天对于“秒”的精准定义。如果我们没有认识到光速恒定理论，没有出现伟大的爱因斯坦，那么也不可能有关于“米”的精准定义。从这两个定义的变迁，我们就可以感受到人类对于物理学、科学认识水平的天翻地覆的变化。

可是很遗憾的是，为什么还要用千克原器来定义质量单位千克呢？为什么不能用更准确的方法呢？高中的时候我就对此很疑惑。囿于我当时的物理学知识范围，我想到的方法是用万有引力常数来定义千克。根据牛顿的万有引力定律，  ，我们可以知道万有引力常数的单位是。既然秒和米都有了更准确的定义，如果我们再规定万有引力常数为一个恒定常量，那么不就可以给出千克的定义了吗？

后来，当我接触了广义相对论以后，才知道万有引力定律只是弱引力场下的一个近似理论，万有引力常数严格地讲也未必是一个常数，甚至万有引力定律也不是精准的数学表达。因此，用万有引力常数来定义千克肯定不是一个好方法。

可是我总觉得会找到合适的物理常数来定义千克的，至少也不应该再用千克原器这种原始方式了。后来也有人提出用若干个碳12原子的总质量来定义千克等方式，但我总觉得用物理学常数的方法应该是最准确的，最能够体现自然规律的。

三、这次对千克、安培、开尔文和摩尔的修订

这次修订最让我感动的是，除了时间单位秒和发光强度单位坎德拉以外，剩余的5个基本物理量主单位都是通过物理学常数来定义的啦，真正让我高中时的一个幻想变成了现实。下面让我们来按照顺序一个一个的说明一下这些单位都是怎么被最新定义的（其中千克、安培、开尔文和摩尔是最新定义的，其它物理量维持原定义）。注意，顺序很重要，因为后面单位的定义会用到前面已经定义的单位。

1、时间单位秒（s）

秒是铯－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期的9192631770倍的持续时间。

2、长度单位米（m）

米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。【注意到，这实质上定义的是真空中光速这个常数，按照这个定义，真空中的光速将精准的等于299792458米/秒，没有任何误差，我们不再需要测量光速，因为它是被定义的。】

3、质量单位千克（kg）

对应普朗克常数为6.62607015×10^-34J·s（焦耳·秒）时的质量单位。【普朗克常数是量子物理的开山常数，最早由普朗克提出假设，能量的辐射不是连续的，而是一份一份的。爱因斯坦在获得诺贝尔奖的理论成果——光电效应理论——中指出，光子的能量只与它的频率有关，等于  ，其中  是光子的频率，h就是普朗克常数。因此普朗克常数的单位是“焦耳·秒”，也就是  。这次规定了普朗克常数精准等于6.62607015×10^-34J·s，再使用前面定义过的m和s，就可以得到kg的精准定义了。从此普朗克常数也不再需要测量，因为它也是被定义的了。】

4、电流强度单位安培（A）

1秒内通过 个电子电量所对应的电流。【这实质上是定义了电子电量，也就是一个基本电荷的电量。以后基本电荷电量将精确的为  库伦，再也不需要类似密立根油滴实验等方式来测量电子电量了。】

5、热力学温度开尔文（K）

对应玻尔兹曼常数为  的热力学温度标准。【这实质上是定义了玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数是在研究理想气体方程的过程中引入的，它实质上对应了微观的分子平均热运动能量与宏观物理量温度之间的关系，它的单位是  ，也就是  。定义了玻尔兹曼常数恒为之后，根据前面定义的kg、m和s，就可以得到热力学温度开尔文（K）了。从而，玻尔兹曼常数也成为了一个被定义的常数。】

6、物质的量单位摩尔（mol）

精确包含  个原子或分子等基本单元的系统的物质的量。【从此，阿伏伽德罗常数也被重新定义为了。其实物质的量这个物理量（化学中最常用）本质上是对我们日常生活中的单位“个”的定义，可以理解为1mol就是个。原来定义的mol是12克碳12所包含的碳原子数的个数，与现在的定义相比，表面上只是数量换算关系的一个变化，实质上却是计量标准定义理念的变化。严格地说，原来的12克碳12所包含的碳原子个数有极大的可能是一个无理数，从而导致阿伏伽德罗常数也是一个无理数了，这与摩尔的概念是有矛盾的。现在改为通过定义了阿伏伽德罗常数来定义摩尔，更严谨、更合理了。】

7、发光强度单位坎德拉（cd）

一频率为  Hz（赫兹）的单色辐射，在某一方向上的辐射强度为  W/sr（瓦特每球面度）时，此方向上的发光强度为1坎德拉。【发光强度这个单位是7个基本物理量中唯一一个涉及到人的主观感受的物理量，它指的是单位立体角（球面度）的光通量（单位是流明）。而光通量实际上是人眼感受到的光照强度，与实际发光的能量并不是一回事。人眼只能看到可见光，因此光通量以及发光强度都是从人眼感受的角度定义的物理量。严格地说，这个物理量本质上不属于客观量，所以后面我们不再讨论它了。】

四、重新定义后的基本物理量主单位的意义与思考

（一）意义

除掉坎德拉以外，这次重新定义后，6个基本物理量中的5个都是通过定义物理常数给出了定义。每个物理常数之所以是常数，都是因为某种物理学规律。因此，可以这么说，我们通过物理学规律定义了5个重要的基本物理量的主单位。

• 通过定义真空中光速从而定义了“米”；

• 通过定义普朗克常数从而定义了“千克”；

• 通过定义基本电荷电量从而定义了“安培”；

• 通过定义玻尔兹曼常数从而定义了“开尔文”；

• 通过定义阿伏伽德罗常数从而定义了“摩尔”；

这才是本质的定义，才是符合自然规律的定义。从这个角度上讲，这次基本物理量主单位定义的修正代表着人类对目前已经认识到的自然界基本规律的某种总结。这件事值得在科学史中书写上一笔。

（二）思考

可是，还有一个问题要引起我们的思考，那就是时间的主单位秒仍然没有通过基本物理规律或常数来定义。其实，很多真正理解现代物理学的人都会有一个疑惑，那就是时间的本质到底是什么？我们看到，最新定义中的时间仍然是通过客观世界中某个事物的某种周期性运动来定义的，这同原来的定义相比，当然是一个巨大的进步，但是究其本质却没有什么不同。

最早的时间单位是通过地球自转这个周期性运动来定义的，后来又通过改进的地球公转的周期性运动来定义。今天，我们虽然已经对微观量子有了极为深刻的认知，但也只是继续通过特定频率光的周期性震动来定义时间。时间仍然是通过某种事物的周期性运动来定义的。

时间这个物理量又是如此重要，除了物质的量的单位摩尔以外（摩尔的本质就是“个数”），其它单位的定义都依赖时间单位的定义。

根据狭义相对论，同时性是相对的，在某个参照系下同时发生的事件，在另一个参照系下可能就不是同时发生的了。根据广义相对论，时间的流逝受到引力场的影响，引力场强的地方时间流逝得慢。既然时间节奏是如此的不确定，我们又如何知道铯原子钟的震荡的每个周期的时间都是等长的呢？这种依赖周期性运动而定义的时间，也许永远不会体现时间的本质。

这可以类比一个完全依赖晶体振荡器而进行运算的CPU的世界，一个震荡周期可以执行一条指令，两个震荡周期可以执行两条指令。这个CPU世界的智慧生命只能依赖这种震荡周期来定义时间，他们也许永远不会知道，在另一个世界看来，第一个震荡周期是1ns，第二个震荡周期可能就是2ns了，这是因为我们让这个CPU降频运行了。

如果有一天，再出现一位伟大如爱因斯坦的物理学家，通过在我们这个世界的观察认识到了时间的本质，也许将是物理学的又一次伟大跨越。也许“万能理论”的真正认识必须依赖对时间这个物理量的本质的认识。

爱因斯坦的孩子曾经问他，“爸爸你为什么这么有名？”，爱因斯坦拿着一个苹果回答说，“你看有一条虫子在这个苹果表面上爬，但是这个虫子却不知道自己爬的路线是弯曲的，爸爸之所以有名是因为爸爸认识到了这一点。”这个内涵深刻而表述又十分浅显的回答指的是对空间的认识，那么时间呢？......