Remove ads
國際單位制（法語：Système International d'Unités，簡稱SI），源於公制（又稱米制），是世界上最普遍採用的標準度量系統。國際單位制以七個基本單位為基礎，由此建立起一系列相互換算關係明確的「一致單位」。另有二十個以十進制作為基礎的詞頭（前綴），當加在單位名稱或單位符號前的時候，可用於表達該單位的倍數或分數。
 | 此條目需要更新。 (2022年11月21日) |
「SI」重新導向至此。關於Si的其他含義，請見「Si」。此條目頁的主題是國際單位制。關於藥理計量單位（International Unit）的簡稱，請見「國際單位」。國際單位制源於法國大革命期間所採用的十進制單位系統──公制；現行制度從1948年開始建立，於1960年正式公佈。它的基礎是米-千克-秒制（MKS），而非任何形式的厘米-克-秒制（CGS）。國際單位制的設計意圖是，先定義詞頭名稱和單位名稱，但單位本身的定義則會隨著度量科技的進步、精準度的提高，根據國際協議來演變。例如，分別於2011年、2014年舉辦的第24、25屆國際度量衡大會討論了有關重新定義公斤的提案。[1]基本單位的定義修訂提案於2018年11月16日的第26屆大會通過。[2]，並於2019年5月20日起正式生效。[3]
隨著科學的發展，厘米-克-秒制中出現了不少新的單位，而各學科之間在單位使用的問題上也沒有良好的協調。因此在1875年，多個國際組織協定《米制公約》，創立了國際度量衡大會，目的是訂下新度量衡系統的定義，並在國際上建立一套書寫和表達計量的標準。
國際單位制已受大部分國家所採納，但在英語國家當中，國際單位制並沒有受到全面的使用。
Remove ads
公制最早在1790年代法國大革命期間採用，當時只有長度和質量的原器，分別作米和公斤的定義標準。[註 1]1830年代，卡爾·弗里德里希·高斯為一套建立在長度、質量和時間上的「一致單位制」打下了根基。1860年代，在英國科學促進協會（英語：British Association for the Advancement of Science）的主持下，一組科學家制訂了一套包含基本單位和導出單位的一致系統。但當時人們同時使用著多個與電有關的單位，因此阻礙了將電單位納入這套單位制之中。直到1900年，喬瓦尼·吉奧爾吉才提倡在原來的三個基本單位之外再加一個電單位。
1875年，法國根據《米制公約》把維護公斤和米定義原器的責任轉交給國際組織。1921年，公約適用範圍擴大至所有物理量，包括最早於1893年定義的各種電單位。
1948年，學者們開始將公制重新制訂為一套「實用單位制」，經過逾十年的發展後，終於在1960年公佈「國際單位制」。1954年第10屆國際度量衡大會把電流、溫度及發光強度定為「基本物理量」，使基本物理量增加至六個。相對應的基本單位有米、公斤、秒、安培、開爾文和坎德拉。1971年，國際單位制再添一個基本物理量──以摩爾來表示物質的量。
Remove ads
1791年，法國科學院的一個委員會受國民議會和路易十六的委派，開始建立一套統一、基於理性的度量衡系統，這將成為公制。[6]成員包括「現代化學之父」安東萬-羅倫·德·拉瓦節及數學家皮耶爾-西蒙·拉普拉斯和阿德里安-馬里·勒壤得。[7]:365當時的社會反應，有抗拒的，也有不屑一顧的，還有嘲諷的。[8]:89委員會在設計長度、體積和質量的相互關係時所遵從的原則，和1668年英國神職人員約翰·威爾金斯在《論真正的文字和哲學語言》（英語：An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language）中所提倡的一致。[9][10]他們也根據最早於1670年由法國神職人員加布里埃爾·穆東提出的方法，利用地球的子午線作為長度的定義基礎。[11][12]1791年3月30日，國民議會採納了委員會的新度量衡系統，並批准在敦刻爾克和巴塞羅那之間進行勘察，以確立子午線的長度。1792年7月11日，委員會提出將長度、面積、容積和質量的單位名稱分別定為metre（公尺）、acre (公畝）、litre（公升）和grave（公斤的舊名），而這些單位的倍數和分數則用以十進制為基礎的詞頭來表示，如centi表示一百分之一，kilo表示一千倍等等。[13]:82
1795年4月7日法律（芽月18日法）訂下了gramme（克）和kilogramme（千克），分別取代先前的gravet（準確來說是milligrave）和grave。在皮埃爾·梅尚和讓-巴蒂斯特·德朗布爾的子午線勘察結束後，米和公斤的標準原器於1799年6月22日正式交由法國國家檔案館（法語：Archives Nationales）保管。同年12月10日，即拿破崙的霧月政變之後的一個月，霜月19日法正式通過，法國將全面採用公制。[19][20]
19世紀上半葉，不同基本單位有不同的常用倍數詞頭：法國和德國部分地區常用myriametre（1萬米）量度距離，但在量度質量時卻用kilogramme（1千克），而非myriagramme（1萬克）。[4]
1832年，德國數學家卡爾·弗里德里希·高斯在威廉·韋伯的協助下，得出了地球磁場的強度，並以毫米、克和秒所組成的單位寫出。秒因此從實際上成為了一個基本單位。[14]此前，科學家只是以相對值來比較各地的地磁場強度，但高斯把磁鐵在磁力底下的扭矩與物體在引力底下的扭矩視為等同，所以能夠為磁場強度設下一個建立在質量、長度和時間上量綱。[21]
1860年代，詹姆斯·克拉克·馬克士威及威廉·湯姆森（開爾文男爵）等科學家在英國科學促進協會的主持下，在高斯的基礎上做了進一步的規範，建立起一套由基本單位和導出單位所組成的一致單位制。利用一致性原則，他們成功定義了一組厘米-克-秒制單位，包括：爾格表達能量、達因表達力、微巴表達壓力、泊表達剪切黏度、斯托克斯表達運動黏度等等。[17]
Remove ads
法國的度量衡改革啟發了計量學上的國際合作計劃，多國最終於1875年簽署《米制公約》。[7]:353–354公約最初只規定了米和公斤的標準：作為定義標準的共有30件米原器及40件公斤原器，[註 2]材料均為含90%鉑和10%銥的合金，由英國莊信萬豐公司製造，1889年被國際度量衡大會採用。原器中隨機各選出一件分別做國際米原器和國際公斤原器，從此取代早前由法國國家檔案館保管的米和公斤原器。公約的每個簽署國都可擁有一個餘下的原器，做該國的定義標準。[22]
根據公約，由三個國際組織來監督國際計量標準：[23]
- 國際度量衡大會（法語：Conférence générale des poids et mesures）：每四至六年舉辦一次，由各成員國代表組成，目的是討論國際度量衡委員會有關國際單位制新發展的報告；
- 國際度量衡委員會（法語：Comité international des poids et mesures）：委員為十八名有威望的科學家，由國際度量衡大會選出，每年在國際度量衡局召開會議，並對國際度量衡大會提出行政上和技術上的建議；
- 國際度量衡局（法語：Bureau international des poids et mesures）：位於法國塞夫爾的一所國際計量學中心，負責保管國際公斤原器，為國際度量衡大會和國際度量衡委員會提供計量服務，亦是它們的秘書處和會議舉辦的場地。其最初的作用是定期將各國的米和公斤原器與國際公斤原器進行比較。
1921年，米制公約的涵蓋範圍擴展至所有物理單位，包括安培以及其他在1893年美國芝加哥舉辦的第4屆國際電工大會（英語：Fourth International Conference of Electricians）上所定義的單位。這讓國際度量衡大會能夠解決公制使用上一些不一致的地方。[15][24]:96
Remove ads
人們在19世紀末時同時使用著三個不同的電單位制，分別為：CGS靜電單位制，又稱高斯單位制，簡稱ESU；CGS電機械單位，簡稱EMU；以及用於配電系統的米-千克-秒制（國際單位制）。[26]在試圖根據因次分析用長度、質量及時間表達電單位時，科學家遇到了諸多困難──在使用ESU或EMU時，物理量會具有不同的因次。[18]1900年，喬瓦尼·吉奧爾吉發表了一篇論文，提倡在當時的三個基本單位以外，再加一個基本單位，電單位不一致的問題迎刃而解。這第四個單位可以是電流、電壓和電阻中的其中一個。[27]
19世紀後期至20世紀初期，人們採用了一系列不一致的單位制，在質量上有的用克，有的用公斤；在長度上有的用厘米，有的用米。例如有：表達功率的「Pferdestärke」（公制馬力）、[28][註 3]表達滲透性的達西[29]及表達氣壓和血壓的毫米汞柱。這些廣泛使用的單位之中，有的用到了標準重力。
到了第二次世界大戰尾聲，全球各地仍然使用著各種不同的單位制，有的是公制的另類版本，有的則是基於所謂的「習慣單位」，如美制單位。1948年，在國際純粹與應用物理學聯合會及法國政府代表的參與下，第9屆國際度量衡大會委派國際度量衡委員會對科學界、技術界和教育界的計量需求進行一項調查，並為一種單一整合、能供遵守《米制公約》的世界各國使用的單位制提出建議。[30]
根據此項調查的結論，1954年第10屆國際度量衡大會決定，這個國際性的單位制應以六個基本單位為基礎，能夠用於測量溫度、可見光輻射、機械及電磁物理量。建議中的六個基本單位分別為：米、公斤、秒、安培、開爾文和坎德拉。1960年第11屆國際度量衡大會正式將這一單位制命名為「國際單位制」（法語：Le Système International d'Unités），簡稱SI。[24]:110[31]國際度量衡局也曾把國際單位制稱為「現代公制」。[24]:951971年第14屆國際度量衡大會將摩爾納入為第七個基本單位。[32]
Remove ads
國際物理量系統（英語：International System of Quantities）是以以下七個「基本物理量」為基礎的系統：長度、質量、時間、電流、熱力學溫度、物質的量和發光強度。其他物理量，如面積、壓力及電阻，都可以根據明確、不相互矛盾的公式從這些基本物理量推導得出。國際物理量系統所定義的，是國際單位制單位所量度的物理量。[33]ISO/IEC 80000國際標準對國際物理量系統做了定義，定義於2009年經ISO 80000-1進一步完善。[34]
自從1960年重新定義米之後，公斤便一直是唯一一個依賴某件人造物體來定義的國際單位制基本單位：全球各地的公斤標準都須定期與位於法國塞夫爾的國際公斤原器進行比較。[35]
2007年第23屆國際度量衡大會建議國際度量衡委員會進一步研究，如何通過固定物理常數的數值來定義基本單位，從而代替現用的國際公斤原器，並使國際單位制的宗旨從「單位之定義」轉移至「物理常數之定義」。[36][37]
2010年，單位顧問委員會在英國召開的會議通過了《國際單位制手冊》的修訂草案，同年呈交至國際度量衡委員會。[38][39]此項草案建議：
- 除光速與庫侖常數以外，為四個物理常數──普朗克常數、基本電荷、波茲曼常數及亞佛加厥常數──定義固定精確數值。
- 淘汰國際公斤原器。
- 修訂公斤、安培、開爾文及摩爾的現用定義。
- 所有基本單位的定義措辭改為更加精簡，並須反映出著重點從「單位之定義」轉移至「物理常數之定義」。
2010年國際度量衡委員會會議審閱了確立各物理常數固定數值的進度，但認為「第23屆國際度量衡大會所設下的條件仍未完全滿足，因此本會目前不建議修訂國際單位制。」[40]
在2011年第24屆大會上，國際度量衡委員會從原則上贊成對定義進行必要的修訂，並重申修訂前必須達到的各項條件。[41]2014年第25屆大會召開時，第23屆大會所設下的條件仍未滿足，因此大會再次建議在確立物理常數固定值方面做進一步工作。[42]
2018年11月16日，國際單位制重新定義的提案在第26屆大會上通過採納。新定義將於2019年5月開始生效。[43][44]科學技術數據委員會基本常數任務組已宣佈將於該次大會上公佈的數值的提交限期。[45]
Remove ads
國際度量衡大會定期頒布一份手冊，闡述國際單位制的定義。[24]其官方版本為法語，與《米制公約》相符。[24]:102因此，世界各國在對名詞進行不同語言的翻譯時，有一定的自由度，如美國國家標準技術研究所所發佈的針對美式英語的國際度量衡大會文件本地版本（NIST SP 330）。[46]
《手冊》是由國際度量衡委員會屬下的單位顧問委員會所編寫。單位顧問委員會的主席由國際度量衡委員會提名，但成員來自於國際度量衡大會及委員會以外的國際組織。[47][註 4]
《國際單位制手冊》所用的「物理量」、「單位」、「因次」等名詞，都出自由計量學聯合導則委員會（JCGM）出版的《國際計量詞彙》。該委員會是一個由八個國際標準組織組成的工作小組，由國際度量衡局局長擔任會長。[48]用於定義國際單位制的物理量和公式，統稱為「國際物理量系統」，列於ISO/IEC 80000物理量與單位國際標準。
國際單位制的組成部分為：一組基本單位、一組有特殊名稱的導出單位以及一組十進制倍數詞頭（前綴）。根據《國際單位制手冊》，「SI單位」囊括以上三個部分，而「一致SI單位」則只包含基本和導出單位。[24]:103–106
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads