Ⅰ 所有基本单位的来历
一、米国际单位制的长度单位“米”(meter,metre)起源于法国。1790年5月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位──米，1791年获法国国会批准。为了制造出表征米的量值的基准器，在法国天文学家捷梁布尔和密伸的领导下，于1792～1799年，对法国敦克尔克至西班牙的巴塞罗那进行了测量。1799年根据测量结果制成一根3．5毫米×25毫米短形截面的铂杆(platinum metre bar)，以此杆两端之间的距离定为1米，并交法国档案局保管，所以也称为“档案米”。这就是最早的米定义。由于档案米的变形情况严重，于是，1872年放弃了“档案米”的米定义，而以铂依合金（90％的铂和10％的铱）制造的米原器作为长度的单位。米原器是根据“档案米”的长度制造的，当时共制出了31只，截面近似呈X形，把档案米的长度以两条宽度为6～8微米的刻线刻在尺子的凹槽（中性面）上。1889年在第一次国际计量大会上，把经国际计量局鉴定的第6号米原器（31只米原器中在0℃时最接近档案米的长度的一只）选作国际米原器，并作为世界上最有权威的长度基准器保存在巴黎国际计量局的地下室中，其余的尺子作为副尺分发给与会各国。规定在周围空气温度为0℃时，米原器两端中间刻线之间的距离为1米。1927年第七届国际计量大会又对米定义作了严格的规定，除温度要求外，还提出了米原器须保存在1标准大气压下，并对其放置方法作出了具体规定。 1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义：“米是1／299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。这样，基于光谱线波长的米的定义就被新的米定义所替代了。实际上，米是被定义为光在以铂原子钟测量的O.000000003335640952秒内走过的距离（取这个特别的数字的原因是，因为它对应于历史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离）。同样，我们可以用叫做光秒的更方便更新的长度单位，这就是简单地定义为光在一秒走过的距离。现在，我们在相对论中按照时间和光速来定义距离，这样每个观察者都自动地测量出同样的光速（按照定义为每0.000000003335640952秒之1米） 。二、秒1820年法国科学院正式提出：一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。 不过，发展出摆钟来保持平时（相对于日晷所显示的视时），使得秒成为可测量的时间单位。秒摆的摆长在1660年被伦敦皇家学会提出作为长度的单位，在地球表面，摆长约一米的单摆，一次摆动或是半周期（没有反复的一次摆动）的时间大约是一秒。 在1956年，秒被以特定历元下的地球公转周期来定义，因为当时天文学家知道地球在自转轴上的自转不够稳定，不足以作为时间的标准。纽康的太阳表以1900年的暦元描述太阳的运动，所依据的是1750年至1892年的观测。In 1956.秒的定义如下： 自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的31,556,925.9747分之一为一秒 在1960年，这个定义由第十一次的国际度量衡会议通过。虽然这个定义中的回归年的长度不能进行实测，但可以经由线性关系的平回归年的算式推导，因此，有一个具体的瞬时回归年长度可以参考。因为秒是用于大半个20世纪太阳和月球的星历表中的独立时间变量（纽康的太阳表从1900年使用至1983年，布朗的月球表从1920年使用至1983年），因此这个秒被称为历书秒。 随着原子钟的发展，秒的定义决定改采用原子时做为新的定义基准，而不再采用地球公转太阳定义的历书秒。 经过多年的努力，英国国家实验室的路易斯•埃森和美国海军天文台的威廉•马克维兹测量出铯原子的超精细跃迁周期和暦书秒的关系。使用过去普通的测量方法，接收来自无线电台、WWV的讯号，使用一个原子钟来测量时间，他们确定了月球相对于地球的轨道运动，也推断出太阳表面可能有相对于地球的运动。结果，在1967年的第13届国际度量衡会议上决定以原子时定义的秒作为时间的国际标准单位： 铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。 三、伏特在国际单位制中安培是基本电学单位，伏特的SI定义是以安培和力学单位瓦特导出的。 依据国际单位制的基本电学单位安培，伏特定义为:"在载荷1A恒定电流的导线上，当两点之间导线上的功率耗散为1W(1W=1 J/S)时，这两点之间的电位差"。电压的确定理论上是这样，但是实际使用的电压基准是利用约瑟夫森效应，从时间频率基准导出的。在两块超导体之间隔以极薄的绝缘层，即构成一个约瑟夫森结。按照量子力学的规律，超导电流可以穿透绝缘层而在结内流动。如果在绝缘层的两边加上直流电压V，则结内会流动频率为f的高频交变超导电流，且电压，其中h为普朗克常数，e为基本电荷。这样，电压V可以由基本物理常数h和e的比值及频率f的数值决定，此即为约瑟夫森效应。f的测定不确定度可达到10-13量级。所以由约瑟夫森效应得到的结电压在原则上可达到与频率标准相近的稳定度和复现性。 单个约瑟夫森结的结电压仅为毫伏量级。1984年，联邦德国及美国利用约1500个约瑟夫森结相串联，得到了约 1伏的结电压，可直接与标准电池的端电压相比较，监视直流电动势基准的稳定性。我国10V约瑟夫森结阵电压基准的建立，可以保证我国在电学单位量值上与国际单位保持一致，所提供的数据，其不确定度技术指标已达到国际领先水平。10V量子电压基准在电子计量领域有着非常重要的应用，它所复现出的高准确度直流电压在0.1－11V范围内，可获得7万多个电压标准值。所有这些复现出的量子电压准确度、稳定性、重复性远远高于实物标准，在复现10电压时，不确定度可达到10-9量级，远远高于实物基准（不确定度水平约10-7量级。），该基准可以广泛用于校准10V固态电压标准、高精度数字电压表、高精密数字电压源、高精度模数转换器以及相关的精密标准仪器设备，为我国进出口贸易提供关键技术数据和计量溯源保证。与国际上先进国家的同类装置相比，本系统在微波锁相、微波传输低温探杆系统以及测量方法上和技术上具有独到的特点，整套装置的测量不确定为5.4×10-9（从这里不难看出，为什么高于八位半的数字表难以见到）。四、欧姆欧姆——以国际欧姆作为电阻单位，它以等于109CGSM电阻的欧姆作为基础，用恒定电流在融冰温度时通过质量为14.4521克、长度为106.3厘米、横截面恒定的水银柱受到的电阻。量子化霍耳效应和电阻自然基准1980年，联帮德国科学家K.von克利青等人发现量子化霍耳效应,即在低于4.2开的低温和大于10特的强磁场中,半导体表面的二维电子气的朗道能级呈现分立效应。当电子填满某一能级时，半导体的霍耳电阻曲线上出现平台。平台处的霍耳电阻Rh 满足方程Rh=h/ne2， n为整数或有理分数。由基本物理常数 h和 e 的比值即可决定霍耳电阻的数值,而且不包含频率因子。因此，用量子化霍耳效应建立的电阻自然基准的复现性和稳定度原则上不受限制。量子化的霍尔电阻是国际公认的表示欧姆的方法，它是已知的最稳定的电阻标准。很多发展中国家和实业公司都需要高精度的最根本的电阻参考标准来适应他们的高技术运行环境。成熟的QuantΩ系统为全世界的国家实验室和工业实验室提供了这种需求。 MI的QuantΩ（量子化霍尔电阻标准）是全自动化的顶级标准系统，它的标准可重复使用，这是一个很经济实用的方法。这个系统是全面的翻转键系统，并且几乎不需要人工操作。杜瓦瓶和仪器架都放在一个宽敞的圆柱空间内，安装在一个小脚轮上，便于移动。一个可变温度的用泵抽送氦的冷藏库和一部分8T的磁铁都可以简便安装和拆卸，杜瓦瓶可根据需要来填充。另外，如果能有一个氦供应设施存在，那么该系统可连续操作。低温恒温器可保证在一次填充后，该系统可工作4至5天。通常的测量都在两天就能完成。 QuantΩ系统提供了一种经济的方法，以准确的建立和测量欧姆值在0.1到13K之间的电阻。霍尔系统在电阻测量和低温方面多年的研究经验，发展出了这套系统。 QuantΩ系统是世界上第一个量子化霍尔电阻标准，它由三部分组成。标准电阻样本： QuantΩ电阻标准提供有关于25812.807欧姆的冯克立曾常数的绝对值。在加拿大国家研究委员会,改参数或是样本在一个可移动的杜瓦瓶中保持在1.2K,这个杜瓦瓶充满60升氦，由部分磁铁提供8特斯拉磁场。该系统被设计成3到4天为一个操作周期，或者可以连续工作。 标准低温： QuantΩ系统的组件有：一个60升容量的杜瓦瓶，它带有一个用泵汲取氦的冷藏室，一个8特斯拉的超导磁铁，还有温度传感器，加热器，一个装配了超导磁铁供应源的仪器架子，温度控制器，氦液面传感器和一个无油机械真空泵。 杜瓦瓶装在一个坚固的小脚轮上，便于从一个房间运到其它房间去。系统也可以作为一个参数传输标准从一个设备输送到其它设备上。 该系统也可以使用9特斯拉的磁铁，以便同其它样品一起使用。支撑架子为便于测量，可以很容易就拆卸下来。 测量系统： 一个改进过的直流电流比较仪电桥（Model 6010Q）在常温下操作，可以使两个电阻进行比较，精度可达到2×10-8。6010Q电桥用来针对1000欧姆标准电阻比较QHR装置。电桥能测量依赖于Rxx和Rxy的域，对Rxx做精密测量，以及对QHR装置的瞬变电阻做测量：总之，为确保QHR电阻的测量精度，所必须做的测量都做了。电桥和低热矩阵扫描仪能用来建立以1000欧姆电阻为基准的电阻值，可以达到的值为1,10,100,1K和10K，精度等级是非常高的。QuantΩ电桥可以独立操作，或者使用MI的QuantΩ软件进行自动化测量。QuantΩ系统被设计成模块化的，分成三个部分，QuantΩ样本，QuantΩ低温装置以及QuantΩ电桥，这几个部件都可以单独购买。如果有需求，QuantΩ系统也可以选择使用额外的QHR样本，QuantΩ软件，一条不锈钢的液态氦传输线以便于可连续操作，还有一个充油电阻槽（Model 9303JW）以及一个100升容量的杜瓦瓶。 在国际单位制种，欧姆来自于伏特和安培。实践中，加拿大国家实验室从1990年开始就使用量子化的霍尔电阻系统来代表阻抗了。这些电阻都是半导体器件，在几特斯拉的磁场中，它们被冷却到1.5开或者更低的温度，电阻的增益值本质上是不变的，而且被认为是基本常数的倍数。在国际协议中，第一个增益值等效于25812.807欧姆。由中国计量科学研究院等单位完成的“量子化霍尔电阻基准”项目获得2007年度国家科技成果进步奖一等奖。“量子化霍尔电阻基准”这一重大成果，在国际上首次从理论上证明了量子化霍尔电阻数值与器件的形状无关，为证实量子化霍尔效应的普适性做出了贡献；自行研制的量子化霍尔器件，突破了国外技术封锁，为课题提供了核心器件；自主研究的高匝比超导电流比较仪，大大超过了国际同类装置水平。这3项主要创新具有我国自主的知识产权。该项研究成果数据可靠，不确定度为国际同类基准之首（10-10量级）。这项成果是以张钟华院士为首的科研团队经过十多年的努力取得的。量子化霍尔电阻基准，准确度比传统的标准电阻提高了一千多倍，达到了国际领先水平。电磁测量仪器是否准确，要用电磁计量标准来检定。电磁计量标准有很多种，其中最基本的是电压标准和电阻标准两种，其他电磁计量标准的量值均可以由这两种基本标准导出。量子计量基准代表了国际计量基标准的最高水平，按照国际计量组织的规定，没有建立量子计量基准的国家，相应量值要向其他具有量子基准的国家溯源。目前，建立了该项量子基准的国家只有少数几个发达国家，该量子基准的建立，为维护我国技术主权，科学研究的独立性，以及国家经济安全和国防建设具有重要意义。五、千克1795年4月7日，克在法国被规定为相等于“容量相等于边长为百分之一米的立方体的水于冰熔温度时的绝对重量”。由于商贸一般涉及的质量远比一克大，又由于以水为标准的质量既不方便又不稳定，所以为了商业法规必需制造出质量水定义的实化仪。于是，人们制造了一个临时的质量标准：一块金属人工制品，质量为克的一千倍——千克。 同时，准确判定一立方分米（一升）的水质量的工作也展开了。虽然千克定义规定的水温0 °C是非常稳定的温度点，但是科学家们经过多年的研究决定于1799年在定义中改用水最稳定的密度点，也就是水达到最大密度时的温度，当时的量度结果为4 °C他们断定在最大密度时一立方分米的水相等于4年前临时千克标准目标质量的99.9265%。同年，也就是1799年，人们制造出一块纯白金的原器，其目标就是原器质量会相等于（当时科学上许可地尽量接近）4°C时一立方分米的水。该原器于六月被呈上国家档案局，并于1799年12月被正式定为“档案局千克”（Kilogramme des Archives），而一千克的定义就相等于其质量。这个标准维持了九十年。 国际千克原器自1889年起，国际单位制将千克的大小定义为跟国际千克原器（在专业度量衡学中很多时候会把它缩写为“IPK”）的质量相等。IPK由一种铂合金制成，这种合金叫“Pt?10Ir”，即90%铂及10%铱（按质量比）；然后把这种合金用机器造成39.17mm的直立圆柱体（高度=直径），这样做可以把表面积减至最低。比起纯铂的档案局千克，新加进去的10%铱改善了硬度，但同时保留铂的许多长处：对氧化的高度抵抗性、极高密度、良好的导电与导热性以及低磁化率。IPK与其六件姐妹复制品都被存放在国际计量局（BIPM）位于巴黎郊区的总部下层的储藏室内，有环境监控的保险箱里。（见下面的外部图片）开启保险箱需要三条被分开保管的钥匙。IPK的正式复制品可供其他国家作她们的全国标准之用。这些复制品大概每50年就要跟IPK比对一次。 IPK是1879年制造的三个圆柱体之一。1883年，IPK的质量被发现跟八十四年前的档案局千克的一致，并在1899年的第一届国际度量衡大会中被正式指定为千克。维也纳标准海水（有严格同位素控制的纯净水）密度的现代测量指出一立方分米的水，在最大密度时（3.984°C）比一千克只差25.05ppm。这个微小的差别，与IPK跟档案局千克质量一致这个事实，说明了超过209年前科学家们在量度水密度及制造档案局千克的技艺是相当高超的。 千克 国际千克原器的稳定性图为各原器随时间的质量变动，其中K21–K40为各国的国家原器，K8(41)[注 4]与K32为IPK的姐妹复制品。所有质量变动都是相对于IPK的。1889年的原值偏移量都被相对于IPK地零化。[10]以上的量度都是相对的；并没有可以判定以上哪个原器是相对于大自然最稳定的历史数据。很有可能地，在这100年间所有原器的质量都增加了，而K21、K35、K40及IPK只是被其他的增加得较少而已。 定义来上说，IPK质量的量度值误差为整零；IPK就是千克。然而，IPK因时间而成的质量变量，可经由比对世界各地正式复制品质量判定出来，这个过程被称为“定期核准”。例如，美国拥有四个90%铂/10%铱的千克标准仪，其中K4和K20是1884年制的原批中四十个复制品的两个。K20被指定为美国质量的国家首席标准。这两个原器，跟其他国家的一样，都要定期送回BIPM作质量核准。 需要指出的是，没有一个复制品的质量准确地等于IPK；它们的质量经过校准，得出的偏差值会被存盘。比方说，美国的国家首席标准K20，1889年最初的正式质量为1 kg-39μg；也就是说K20比IPK轻39 μg。1999年的上一次核准指出其质量准确地等于1889年的原值。跟这种小差异相当不同的是，美国的检核标准，K4的质量持续地相对于IPK下降——这都是有原因的。检核标准比首席标准要常用得多，所以很容易被刮及受到各种磨损。K4最初送抵时的正式质量为1 kg-75 μg，但到1989年经正式校准后质量为1 kg-106 μg，而十年后则是1 kg-116 μg。在这110年间，K4相对于IPK轻了41 μg。 除检核标准可能受到的一般磨损外，就算被小心收藏的国家原器也会因不同的原因而产生相对于IPK的质量变动，当中原因有已知的，也有未知的。由于IPK与它的复制品都被存放于空气中（尽管有两层或以上的钟罩），它们还是会经由表面吸附大气层中的灰尘而获得质量。因此会用一种称为“BIPM清洁法”的手续来清洁它们，这种方法是BIPM于1939至1946年间开发的，当中手续有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革轻轻擦拭，用蒸馏过两次的水进行蒸气清洁，以及让原器在核准前先放7至10天。2008年04月,位于不伦瑞克的德国国家计量研究院的研究人员表示，他们将采用直径10厘米(4英寸)的纯硅体去界定比现在的千克质量定义更为标准的度量方法。目前，一个质量与千克最接近的铂铱圆柱体，作为国际统一重量单位一直存放在法国巴黎郊外戒备森严的金库内，但是由于消耗与磨损，它的质量正慢慢地减少，基本单位的准确性受到影响，误差越来越大。 新的纯硅体确实十分特殊，耗资200万欧元(约合320万美元)打造。纯硅体合俄罗斯、澳大利亚和德国科学精英之力，用时五年制造，重量无限接近于一千克，是完美的球体，纯度极高，99.99%的材料是一种称为硅28的硅同位素。德国不伦瑞克的科学家将从现在开始对纯硅体实施数千次实验，以测算制成它的硅原子数量。