Ⅰ 所有基本單位的來歷
一、米國際單位制的長度單位「米」(meter,metre)起源於法國。1790年5月由法國科學家組成的特別委員會，建議以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為長度單位──米，1791年獲法國國會批准。為了製造出表徵米的量值的基準器，在法國天文學家捷梁布爾和密伸的領導下，於1792～1799年，對法國敦克爾克至西班牙的巴塞羅那進行了測量。1799年根據測量結果製成一根3．5毫米×25毫米短形截面的鉑桿(platinum metre bar)，以此桿兩端之間的距離定為1米，並交法國檔案局保管，所以也稱為「檔案米」。這就是最早的米定義。由於檔案米的變形情況嚴重，於是，1872年放棄了「檔案米」的米定義，而以鉑依合金（90％的鉑和10％的銥）製造的米原器作為長度的單位。米原器是根據「檔案米」的長度製造的，當時共制出了31隻，截面近似呈X形，把檔案米的長度以兩條寬度為6～8微米的刻線刻在尺子的凹槽（中性面）上。1889年在第一次國際計量大會上，把經國際計量局鑒定的第6號米原器（31隻米原器中在0℃時最接近檔案米的長度的一隻）選作國際米原器，並作為世界上最有權威的長度基準器保存在巴黎國際計量局的地下室中，其餘的尺子作為副尺分發給與會各國。規定在周圍空氣溫度為0℃時，米原器兩端中間刻線之間的距離為1米。1927年第七屆國際計量大會又對米定義作了嚴格的規定，除溫度要求外，還提出了米原器須保存在1標准大氣壓下，並對其放置方法作出了具體規定。 1983年10月在巴黎召開的第十七屆國際計量大會上又通過了米的新定義：「米是1／299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度」。這樣，基於光譜線波長的米的定義就被新的米定義所替代了。實際上，米是被定義為光在以鉑原子鍾測量的O.000000003335640952秒內走過的距離（取這個特別的數字的原因是，因為它對應於歷史上的米的定義——按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個刻度之間的距離）。同樣，我們可以用叫做光秒的更方便更新的長度單位，這就是簡單地定義為光在一秒走過的距離。現在，我們在相對論中按照時間和光速來定義距離，這樣每個觀察者都自動地測量出同樣的光速（按照定義為每0.000000003335640952秒之1米） 。二、秒1820年法國科學院正式提出：一個平太陽日的1/86400為一個平太陽秒，稱為世界時秒長。 不過，發展出擺鍾來保持平時（相對於日晷所顯示的視時），使得秒成為可測量的時間單位。秒擺的擺長在1660年被倫敦皇家學會提出作為長度的單位，在地球表面，擺長約一米的單擺，一次擺動或是半周期（沒有反復的一次擺動）的時間大約是一秒。 在1956年，秒被以特定歷元下的地球公轉周期來定義，因為當時天文學家知道地球在自轉軸上的自轉不夠穩定，不足以作為時間的標准。紐康的太陽表以1900年的暦元描述太陽的運動，所依據的是1750年至1892年的觀測。In 1956.秒的定義如下： 自歷書時1900年1月1日12時起算的回歸年的31,556,925.9747分之一為一秒 在1960年，這個定義由第十一次的國際度量衡會議通過。雖然這個定義中的回歸年的長度不能進行實測，但可以經由線性關系的平回歸年的算式推導，因此，有一個具體的瞬時回歸年長度可以參考。因為秒是用於大半個20世紀太陽和月球的星歷表中的獨立時間變數（紐康的太陽表從1900年使用至1983年，布朗的月球表從1920年使用至1983年），因此這個秒被稱為歷書秒。 隨著原子鍾的發展，秒的定義決定改採用原子時做為新的定義基準，而不再採用地球公轉太陽定義的歷書秒。 經過多年的努力，英國國家實驗室的路易斯•埃森和美國海軍天文台的威廉•馬克維茲測量出銫原子的超精細躍遷周期和暦書秒的關系。使用過去普通的測量方法，接收來自無線電台、WWV的訊號，使用一個原子鍾來測量時間，他們確定了月球相對於地球的軌道運動，也推斷出太陽表面可能有相對於地球的運動。結果，在1967年的第13屆國際度量衡會議上決定以原子時定義的秒作為時間的國際標准單位： 銫133原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9,192,631,770個周期的持續時間。 三、伏特在國際單位制中安培是基本電學單位，伏特的SI定義是以安培和力學單位瓦特導出的。 依據國際單位制的基本電學單位安培，伏特定義為:"在載荷1A恆定電流的導線上，當兩點之間導線上的功率耗散為1W(1W=1 J/S)時，這兩點之間的電位差"。電壓的確定理論上是這樣，但是實際使用的電壓基準是利用約瑟夫森效應，從時間頻率基準導出的。在兩塊超導體之間隔以極薄的絕緣層，即構成一個約瑟夫森結。按照量子力學的規律，超導電流可以穿透絕緣層而在結內流動。如果在絕緣層的兩邊加上直流電壓V，則結內會流動頻率為f的高頻交變超導電流，且電壓，其中h為普朗克常數，e為基本電荷。這樣，電壓V可以由基本物理常數h和e的比值及頻率f的數值決定，此即為約瑟夫森效應。f的測定不確定度可達到10-13量級。所以由約瑟夫森效應得到的結電壓在原則上可達到與頻率標准相近的穩定度和復現性。 單個約瑟夫森結的結電壓僅為毫伏量級。1984年，聯邦德國及美國利用約1500個約瑟夫森結相串聯，得到了約 1伏的結電壓，可直接與標准電池的端電壓相比較，監視直流電動勢基準的穩定性。我國10V約瑟夫森結陣電壓基準的建立，可以保證我國在電學單位量值上與國際單位保持一致，所提供的數據，其不確定度技術指標已達到國際領先水平。10V量子電壓基準在電子計量領域有著非常重要的應用，它所復現出的高准確度直流電壓在0.1－11V范圍內，可獲得7萬多個電壓標准值。所有這些復現出的量子電壓准確度、穩定性、重復性遠遠高於實物標准，在復現10電壓時，不確定度可達到10-9量級，遠遠高於實物基準（不確定度水平約10-7量級。），該基準可以廣泛用於校準10V固態電壓標准、高精度數字電壓表、高精密數字電壓源、高精度模數轉換器以及相關的精密標准儀器設備，為我國進出口貿易提供關鍵技術數據和計量溯源保證。與國際上先進國家的同類裝置相比，本系統在微波鎖相、微波傳輸低溫探桿系統以及測量方法上和技術上具有獨到的特點，整套裝置的測量不確定為5.4×10-9（從這里不難看出，為什麼高於八位半的數字表難以見到）。四、歐姆歐姆——以國際歐姆作為電阻單位，它以等於109CGSM電阻的歐姆作為基礎，用恆定電流在融冰溫度時通過質量為14.4521克、長度為106.3厘米、橫截面恆定的水銀柱受到的電阻。量子化霍耳效應和電阻自然基準1980年，聯幫德國科學家K.von克利青等人發現量子化霍耳效應,即在低於4.2開的低溫和大於10特的強磁場中,半導體表面的二維電子氣的朗道能級呈現分立效應。當電子填滿某一能級時，半導體的霍耳電阻曲線上出現平台。平台處的霍耳電阻Rh 滿足方程Rh=h/ne2， n為整數或有理分數。由基本物理常數 h和 e 的比值即可決定霍耳電阻的數值,而且不包含頻率因子。因此，用量子化霍耳效應建立的電阻自然基準的復現性和穩定度原則上不受限制。量子化的霍爾電阻是國際公認的表示歐姆的方法，它是已知的最穩定的電阻標准。很多發展中國家和實業公司都需要高精度的最根本的電阻參考標准來適應他們的高技術運行環境。成熟的QuantΩ系統為全世界的國家實驗室和工業實驗室提供了這種需求。 MI的QuantΩ（量子化霍爾電阻標准）是全自動化的頂級標准系統，它的標准可重復使用，這是一個很經濟實用的方法。這個系統是全面的翻轉鍵系統，並且幾乎不需要人工操作。杜瓦瓶和儀器架都放在一個寬敞的圓柱空間內，安裝在一個小腳輪上，便於移動。一個可變溫度的用泵抽送氦的冷藏庫和一部分8T的磁鐵都可以簡便安裝和拆卸，杜瓦瓶可根據需要來填充。另外，如果能有一個氦供應設施存在，那麼該系統可連續操作。低溫恆溫器可保證在一次填充後，該系統可工作4至5天。通常的測量都在兩天就能完成。 QuantΩ系統提供了一種經濟的方法，以准確的建立和測量歐姆值在0.1到13K之間的電阻。霍爾系統在電阻測量和低溫方面多年的研究經驗，發展出了這套系統。 QuantΩ系統是世界上第一個量子化霍爾電阻標准，它由三部分組成。標准電阻樣本： QuantΩ電阻標准提供有關於25812.807歐姆的馮克立曾常數的絕對值。在加拿大國家研究委員會,改參數或是樣本在一個可移動的杜瓦瓶中保持在1.2K,這個杜瓦瓶充滿60升氦，由部分磁鐵提供8特斯拉磁場。該系統被設計成3到4天為一個操作周期，或者可以連續工作。 標准低溫： QuantΩ系統的組件有：一個60升容量的杜瓦瓶，它帶有一個用泵汲取氦的冷藏室，一個8特斯拉的超導磁鐵，還有溫度感測器，加熱器，一個裝配了超導磁鐵供應源的儀器架子，溫度控制器，氦液面感測器和一個無油機械真空泵。 杜瓦瓶裝在一個堅固的小腳輪上，便於從一個房間運到其它房間去。系統也可以作為一個參數傳輸標准從一個設備輸送到其它設備上。 該系統也可以使用9特斯拉的磁鐵，以便同其它樣品一起使用。支撐架子為便於測量，可以很容易就拆卸下來。 測量系統： 一個改進過的直流電流比較儀電橋（Model 6010Q）在常溫下操作，可以使兩個電阻進行比較，精度可達到2×10-8。6010Q電橋用來針對1000歐姆標准電阻比較QHR裝置。電橋能測量依賴於Rxx和Rxy的域，對Rxx做精密測量，以及對QHR裝置的瞬變電阻做測量：總之，為確保QHR電阻的測量精度，所必須做的測量都做了。電橋和低熱矩陣掃描儀能用來建立以1000歐姆電阻為基準的電阻值，可以達到的值為1,10,100,1K和10K，精度等級是非常高的。QuantΩ電橋可以獨立操作，或者使用MI的QuantΩ軟體進行自動化測量。QuantΩ系統被設計成模塊化的，分成三個部分，QuantΩ樣本，QuantΩ低溫裝置以及QuantΩ電橋，這幾個部件都可以單獨購買。如果有需求，QuantΩ系統也可以選擇使用額外的QHR樣本，QuantΩ軟體，一條不銹鋼的液態氦傳輸線以便於可連續操作，還有一個充油電阻槽（Model 9303JW）以及一個100升容量的杜瓦瓶。 在國際單位制種，歐姆來自於伏特和安培。實踐中，加拿大國家實驗室從1990年開始就使用量子化的霍爾電阻系統來代表阻抗了。這些電阻都是半導體器件，在幾特斯拉的磁場中，它們被冷卻到1.5開或者更低的溫度，電阻的增益值本質上是不變的，而且被認為是基本常數的倍數。在國際協議中，第一個增益值等效於25812.807歐姆。由中國計量科學研究院等單位完成的「量子化霍爾電阻基準」項目獲得2007年度國家科技成果進步獎一等獎。「量子化霍爾電阻基準」這一重大成果，在國際上首次從理論上證明了量子化霍爾電阻數值與器件的形狀無關，為證實量子化霍爾效應的普適性做出了貢獻；自行研製的量子化霍爾器件，突破了國外技術封鎖，為課題提供了核心器件；自主研究的高匝比超導電流比較儀，大大超過了國際同類裝置水平。這3項主要創新具有我國自主的知識產權。該項研究成果數據可靠，不確定度為國際同類基準之首（10-10量級）。這項成果是以張鍾華院士為首的科研團隊經過十多年的努力取得的。量子化霍爾電阻基準，准確度比傳統的標准電阻提高了一千多倍，達到了國際領先水平。電磁測量儀器是否准確，要用電磁計量標准來檢定。電磁計量標准有很多種，其中最基本的是電壓標准和電阻標准兩種，其他電磁計量標準的量值均可以由這兩種基本標准導出。量子計量基準代表了國際計量基標準的最高水平，按照國際計量組織的規定，沒有建立量子計量基準的國家，相應量值要向其他具有量子基準的國家溯源。目前，建立了該項量子基準的國家只有少數幾個發達國家，該量子基準的建立，為維護我國技術主權，科學研究的獨立性，以及國家經濟安全和國防建設具有重要意義。五、千克1795年4月7日，克在法國被規定為相等於「容量相等於邊長為百分之一米的立方體的水於冰熔溫度時的絕對重量」。由於商貿一般涉及的質量遠比一克大，又由於以水為標準的質量既不方便又不穩定，所以為了商業法規必需製造出質量水定義的實化儀。於是，人們製造了一個臨時的質量標准：一塊金屬人工製品，質量為克的一千倍——千克。 同時，准確判定一立方分米（一升）的水質量的工作也展開了。雖然千克定義規定的水溫0 °C是非常穩定的溫度點，但是科學家們經過多年的研究決定於1799年在定義中改用水最穩定的密度點，也就是水達到最大密度時的溫度，當時的量度結果為4 °C他們斷定在最大密度時一立方分米的水相等於4年前臨時千克標准目標質量的99.9265%。同年，也就是1799年，人們製造出一塊純白金的原器，其目標就是原器質量會相等於（當時科學上許可地盡量接近）4°C時一立方分米的水。該原器於六月被呈上國家檔案局，並於1799年12月被正式定為「檔案局千克」（Kilogramme des Archives），而一千克的定義就相等於其質量。這個標准維持了九十年。 國際千克原器自1889年起，國際單位制將千克的大小定義為跟國際千克原器（在專業度量衡學中很多時候會把它縮寫為「IPK」）的質量相等。IPK由一種鉑合金製成，這種合金叫「Pt?10Ir」，即90%鉑及10%銥（按質量比）；然後把這種合金用機器造成39.17mm的直立圓柱體（高度=直徑），這樣做可以把表面積減至最低。比起純鉑的檔案局千克，新加進去的10%銥改善了硬度，但同時保留鉑的許多長處：對氧化的高度抵抗性、極高密度、良好的導電與導熱性以及低磁化率。IPK與其六件姐妹復製品都被存放在國際計量局（BIPM）位於巴黎郊區的總部下層的儲藏室內，有環境監控的保險箱里。（見下面的外部圖片）開啟保險箱需要三條被分開保管的鑰匙。IPK的正式復製品可供其他國家作她們的全國標准之用。這些復製品大概每50年就要跟IPK比對一次。 IPK是1879年製造的三個圓柱體之一。1883年，IPK的質量被發現跟八十四年前的檔案局千克的一致，並在1899年的第一屆國際度量衡大會中被正式指定為千克。維也納標准海水（有嚴格同位素控制的純凈水）密度的現代測量指出一立方分米的水，在最大密度時（3.984°C）比一千克只差25.05ppm。這個微小的差別，與IPK跟檔案局千克質量一致這個事實，說明了超過209年前科學家們在量度水密度及製造檔案局千克的技藝是相當高超的。 千克 國際千克原器的穩定性圖為各原器隨時間的質量變動，其中K21–K40為各國的國家原器，K8(41)[注 4]與K32為IPK的姐妹復製品。所有質量變動都是相對於IPK的。1889年的原值偏移量都被相對於IPK地零化。[10]以上的量度都是相對的；並沒有可以判定以上哪個原器是相對於大自然最穩定的歷史數據。很有可能地，在這100年間所有原器的質量都增加了，而K21、K35、K40及IPK只是被其他的增加得較少而已。 定義來上說，IPK質量的量度值誤差為整零；IPK就是千克。然而，IPK因時間而成的質量變數，可經由比對世界各地正式復製品質量判定出來，這個過程被稱為「定期核准」。例如，美國擁有四個90%鉑/10%銥的千克標准儀，其中K4和K20是1884年制的原批中四十個復製品的兩個。K20被指定為美國質量的國家首席標准。這兩個原器，跟其他國家的一樣，都要定期送回BIPM作質量核准。 需要指出的是，沒有一個復製品的質量准確地等於IPK；它們的質量經過校準，得出的偏差值會被存檔。比方說，美國的國家首席標准K20，1889年最初的正式質量為1 kg-39μg；也就是說K20比IPK輕39 μg。1999年的上一次核准指出其質量准確地等於1889年的原值。跟這種小差異相當不同的是，美國的檢核標准，K4的質量持續地相對於IPK下降——這都是有原因的。檢核標准比首席標准要常用得多，所以很容易被刮及受到各種磨損。K4最初送抵時的正式質量為1 kg-75 μg，但到1989年經正式校準後質量為1 kg-106 μg，而十年後則是1 kg-116 μg。在這110年間，K4相對於IPK輕了41 μg。 除檢核標准可能受到的一般磨損外，就算被小心收藏的國家原器也會因不同的原因而產生相對於IPK的質量變動，當中原因有已知的，也有未知的。由於IPK與它的復製品都被存放於空氣中（盡管有兩層或以上的鍾罩），它們還是會經由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質量。因此會用一種稱為「BIPM清潔法」的手續來清潔它們，這種方法是BIPM於1939至1946年間開發的，當中手續有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革輕輕擦拭，用蒸餾過兩次的水進行蒸氣清潔，以及讓原器在核准前先放7至10天。2008年04月,位於不倫瑞克的德國國家計量研究院的研究人員表示，他們將採用直徑10厘米(4英寸)的純硅體去界定比現在的千克質量定義更為標準的度量方法。目前，一個質量與千克最接近的鉑銥圓柱體，作為國際統一重量單位一直存放在法國巴黎郊外戒備森嚴的金庫內，但是由於消耗與磨損，它的質量正慢慢地減少，基本單位的准確性受到影響，誤差越來越大。 新的純硅體確實十分特殊，耗資200萬歐元(約合320萬美元)打造。純硅體合俄羅斯、澳大利亞和德國科學精英之力，用時五年製造，重量無限接近於一千克，是完美的球體，純度極高，99.99%的材料是一種稱為硅28的硅同位素。德國不倫瑞克的科學家將從現在開始對純硅體實施數千次實驗，以測算製成它的硅原子數量。