国际单位制
三个时代
- 实物基准时代：以地球的尺寸、特定物体的属性为定义基础。
- 稳定现象时代：以特定条件下、高度稳定的自然现象为定义基础。
- 基本常数时代：以宇宙中普适的基本物理常数为定义基础。
1. 长度单位：米 (m)
定义一 (1791)：通过巴黎的地球子午线上从赤道到北极点距离的千万分之一。
- 缺点：地球并非标准球体，子午线长度测量存在误差且难以精确复现。
定义二 (1889)：国际米原器（铂铱合金棒）在0℃时两端刻线间的距离。
- 缺点：作为物理实体，原器存在磨损、形变、氧化等不稳定性风险；基准唯一，易于损毁。
定义三 (1960)：氪-86原子在特定能级跃迁时所发辐射在真空中波长的1,650,763.73倍。
- 缺点：谱线有一定宽度，限制了复现的最高精度；实验条件要求苛刻。
当前定义 (1983)：光在真空中 (1/299,792,458) 秒内所行进路径的长度（固定了真空光速 c）。
2. 质量单位：千克 (kg)
定义一 (1795)：1立方分米纯水在密度最大时（约4℃）的质量。
- 缺点：水的密度受温度、压力、纯度及同位素丰度影响，难以精确控制。
定义二 (1889)：国际千克原器（“大K”，铂铱合金圆柱体）的质量。
- 缺点：物理实体，质量会因表面吸附或磨损而发生无法溯源的微小变化，造成全球质量基准不稳定。
当前定义 (2019)：通过固定普朗克常数 h (6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s) 来定义。
3. 时间单位：秒 (s)
定义一 (至1960)：平均太阳日的 1/86400。
- 缺点：地球自转速度不均匀且长期来看在变慢，不是一个稳定的时间基准。
定义二 (1960)：1900年回归年长度的 1/31,556,925.9747。
- 缺点：依然基于天体观测，精度受限于观测技术，且不易于在实验室中复现。
当前定义 (1967)：铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。
4. 电流单位：安培 (A)
定义一 (1948)：在真空中，两根相距1米的无限长平行直导线，通以等量恒定电流，若导线间相互作用力在每米长度上为 2×10⁻⁷ 牛顿，则每根导线中的电流为一安培。
- 缺点：“无限长导线”等条件过于理想化，在现实实验中无法实现，导致复现精度极低。
当前定义 (2019)：通过固定基本电荷 e (1.602176634 × 10⁻¹⁹ C) 来定义。
5. 热力学温度单位：开尔文 (K)
定义一 (1954)：水的三相点（固、液、气三态共存点）热力学温度的 1/273.16。
- 缺点：水的同位素组成会轻微影响三相点的温度值，难以保证全球“标准水”的完全一致，限制了最高精度。
当前定义 (2019)：通过固定玻尔兹曼常数 k (1.380649 × 10⁻²³ J/K) 来定义。
6. 物质的量单位：摩尔 (mol)
定义一 (1971)：一个系统所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等。
- 缺点：定义与“千克”单位绑定，依赖于国际千克原器的质量，继承了千克定义的不稳定性。
当前定义 (2019)：1摩尔精确包含 6.02214076 × 10²³ 个基本单元（固定了阿伏伽德罗常数 NA）。
7. 发光强度单位：坎德拉 (cd)
定义一 (1948)：在铂的凝固点温度（约2042K）下，1/600,000 平方米的黑体辐射体的发光强度。
- 缺点：产生并维持铂凝固点的高温条件非常困难，实验装置复杂，难以精确复现。
定义二 (1979)：一个频率为 540×10¹² 赫兹的单色辐射光源，在给定方向上的辐射强度为 1/683 瓦特每球面度时的发光强度。
- 缺点：虽然摆脱了高温实验，但其定义方式仍是规定一个特定条件下的数值，而非基于一个基本常数。
当前定义 (2019)：通过固定频率为 540×10¹² 赫兹的单色辐射的光视效能 Kcd (683 lm/W) 来定义。