| 国际单位制（SI）词头发展简史 | |||||||||||||||
| 发布时间：2023-06-20 16:51:57 | |||||||||||||||
A further short history of the SI prefixes Richard J C Brown （National Physical Laboratory, Teddington, TW11 0LW, United Kingdom； Department of Physics, University of Surrey, Guildford, GU2 7XH, United Kingdom） Abstract：A short history of the development and adoption of the SI prefixes since 1964 is provided, following on from the last time a similar article was written, with special attention paid to the recent extension to the range of SI prefixes following the 27th General Conference on Weights and Measures in 2022. A brief future look is also presented. Keywords: metrology; SI; prefixes; units; history of science 理查德·布朗 （英国国家物理实验室，特丁顿，TW11 0LW，英国；萨里大学 物理系，吉尔福德，GU2 7XH，英国） 翻译：任思源，于连超 校对：张爱敏 （中国计量科学研究院，北京 100029） 摘要：梳理了自1964年以来国际单位制（SI）词头的发展简史，特别关注了2022年第27届国际计量大会（CGPM）通过的关于扩展SI词头的决议，并对未来进行了简要展望。 关键词：计量学；国际单位制；词头；计量单位；科学史 中图分类号：TB91 文献标识码：A
1 简 介 SI词头与SI基本单位、SI导出单位共同构成了我们所熟知的国际单位制（SI）的基础[1]。SI词头能表示SI单位的十进制倍数和分数，从而表达出比SI单位大得多或小得多的量值，并使其数值处于“人类尺度”（human scale）（0.1到1000之间，最好是1到100之间）范围。SI词头让测量结果更容易在不同时间、不同地点和不同技术学科之间被概念化描述、交流和理解。 1966年，第12届国际计量大会（Gencral Conference on Weights and Measures, CGPM)决定将“飞[母托]”（即femto，表示10-15）和“阿[托]”（即atto，表示10-18）纳入SI词头体系。之后不久，Boer De发表了一篇截至当时的关于词头发展历史的文章[2]。在文章最后，他认为，“虽然未来很可能需要进一步扩展词头，但就目前来看，我们似乎并没有必要这样做”。而在此后的半个多世纪里，事实证明了扩展SI词头的范围确实很有必要。本文介绍了相关进展及其背后的原因，特别是第27届国际计量大会（CGPM）通过的最新决议，并对未来发展趋势进行了简要讨论。
2 讨论 2.1 1964—2017年 从1964年的第12届国际计量大会到1975年的第15届国际计量大会是一段不同寻常的历史时期——在这期间SI词头的范围是不对称的。其实，从1904年到1935年SI正式形成之前，这种不对称性就已经存在了。当时采用myria表示104，但分数范围只扩展到表示10-3的“毫”（milli）。1964年，由于需要表示核物理学中出现的小尺度量值，以及需要越来越精确地测量与稳定原子现象有关的时间间隔，SI词头的分数范围被扩展至10-15（飞[母托]，即femto，简写为f）和10-18（阿[托]，即atto，简写为a）；然而，其倍数范围并没有进行相应的扩展。紧接着，国际计量委员会(International Committee for Weights and Measures, CIPM)下属的单位咨询委员会（Consultative Committee for Units, CCU，成立于1964年，取代了CIPM在1954年成立的单位制委员会）开始考虑将SI词头扩展到更高阶的倍数范围，甚至讨论了重新引入复合或双倍词头作为实现方法。1974年，单位咨询委员会（CCU）通过了一项决议，将SI词头范围扩展到1015（拍[它]，peta，简写为P）和1018（艾[可萨]，exa，简写为E）倍数，该决议于1971年由CCU首次提出。随后，这一决议被1975年的第15届国际计量大会（CGPM）采纳。这样一来，才勉强解决了当时与电磁辐射频率范围、全球能源使用和以贝克勒尔为单位的放射性相关测量的数量级需求。而关于词头的讨论仍在持续。1974年，单位咨询委员会（CCU）已经开始讨论进一步扩展SI词头范围可能需要哪些名称和符号。1976年，有人在单位咨询委员会（CCU）会议上提议用与SI词头完全不同的命名法来表示10的幂。所有这些建议被征求了相关意见，但在当时并没有人愿意做出进一步改变。 此后一直没有开展重大讨论。直到1990年，单位咨询委员会（CCU）开始讨论将SI词头范围扩展到1024和10-24之间。当时，扩展分数范围的主要原因来自于阿伏伽德罗常数的数量级，以及用SI单位表达分子量的需要，而1024和10-24的数量级更适用于摩尔量。那时的分析化学和光谱技术已经发展到能够检测出比阿摩尔（attomole）（当时SI词头可以表示的最小数量级）更小的数量级的阶段，特别是针对大分子物质。更加要指出的是，阿焦耳（attojoule，简写为aJ）和阿克（attogram，简写为ag）对于经常处理单分子的科学家来说太大。而另一方面，除了在天文学中的使用外，当时并没有类似的理由支撑SI词头范围从10的正数次幂扩展到1024。不过有人指出，仅对SI词头进行单向扩展而非双向扩展的做法不够科学。因此，1974年单位咨询委员会（CCU）提议将词头范围扩展到1024和10-24之间，其中1021用“泽[它]”（zetta，简写为Z）表示，10-21用“仄[普托]”（zepto，简写为z）表示，1024用“尧[它]”（yotta，简写为Y）表示，10-24用“幺[科托]”（yocto，简写为y）表示。这一提议被1991年的第19届国际计量大会（CGPM）采纳。 1995年，单位咨询委员会（CCU）在会议上指出，jansky（10-26 W/m-2·Hz-1）在射电天文学中的使用，表明SI词头需要被扩展到10-27和10-30。此次单位咨询委员会（CCU）会议还提出了一项建议，即考虑到在计算中的使用，SI词头应该只用来表示10的幂，而非2的幂，这也与后续的讨论有关。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）曾被邀请为在信息技术中使用的表示2的幂的词头提出名称和符号，并于1999年公布，即用kibi（Ki）至exbi（Ei）等6个词头（代表210到260）代表从“千位二进制”（kilobinary）到“艾位二进制”（exabinary）[3]。2005年，这些IEC二进制词头被扩展至与SI词头的范围相匹配，用yobi（Yi）表示280，代表“尧位二进制”（yottabinary）。当然，这只适用于倍数，不适用于分数[4]。 单位咨询委员会（CCU）关于扩展SI词头范围的讨论一直持续到2001年，期间也考虑过使用复合词头。而后，委员会一致同意不再继续提出任何建议。因此，直到2019年，单位咨询委员会（CCU）都没有再讨论这个话题。 2.2 2017—2022年 从1991年到2022年，经过了31年，SI词头范围才被进一步扩展。这也是自1879年《米制公约》首次采用词头以来，扩展SI词头范围的最长时间间隔。 最近的一次扩展缘于2017年底，当时作者听到BBC的一个名为“多还是少（more or less）”的关于大数字命名的广播节目[5]。节目传达了一个令人担忧的消息，一些用于描述超过“尧字节”（yottabytes）量级的数字存储的非官方词头名称的提议，正迅速在主流科学媒体中得到支持或反对。其中的两个建议是brontobyte（“波字节”）（来自“brontosaurus”，雷龙，所有恐龙中最大的一种）和hellabyte（“海字节”）（来自“hell of a big number”，“非常大的数字”）。事实上，谷歌的单位转换器已经设定了“1 hellabyte = 1000 yottabytes”[6]。这为扩展SI词头范围注入了新的驱动力——防止非官方名称被事实采用。数字存储和数据科学显然也是科学技术发展的领域，量子计算的到来和全球数据领域规模的指数级增长，都需要扩展更大数量级范围的词头。考虑到部分科学领域（如天文学和粒子物理学）一直以来都希望增加SI词头的使用，又鉴于当前词头范围适用性不足的现状，我们显然需要采取行动。并且，数字存储和数据科学界对SI词头、非SI单位比特（bit）和字节（byte）的使用也比IEC二进制词头更频繁，但问题在于他们不使用科学表示方法（如1024字节），同时由于这些数字尚未被广泛标准化，也没有专有名词来表示这些大数字（如英文“septillion”意为百万的四次方，即1024）。 人们认为不把分数词头范围扩展到10-30是不平衡的，但到目前为止，仅那些希望增加SI词头使用的科学领域有这种愿望（如在射电天文学中取代“jansky”），其他领域并没有这方面的直接需求。同样，在上次扩展SI词头范围时，最迫切的需求只是扩展分数词头，但最终也扩展了倍数词头。这十分具有先见之明，否则，数据科学的需求早就超过了“艾字节”（exabyte）范围。 新SI词头的名称和符号也引起了媒体的极大兴趣。但事实上，最应该认真考虑的是关于是否扩展范围的决定，对于名称的选择反而不那么重要（可能在选择之前很重要），因为对于使用新词头的人来说，这些名称最终都会变得熟悉和好用。而对于符号（即名称的首字母）的选择则更为重要——必须确保新符号不与现有的符号相冲突。对当前的SI词头、SI单位和常用的非SI单位符号的审查表明，仅剩“r”和“q”两个英文字母可以使用。按照字母表的倒序使用这些字母沿袭了1991年最后一次扩展SI词头范围时的做法。出于对通用数字化复制、数据传输和机器可读性的要求，也不会使用除英文字母以外的字符。 过去曾有许多不同的机制来创建词头名称，但现在主要依赖于使用拉丁文和希腊文数字来表示1000的幂，并生成倍数词头，然后再对这些词进行适当修改，将其首字母改为词头符号，尾字母改为“a”（代表倍数）或“o”（代表分数），从而得到1个在书面和口语中都能适用的词，并确保其在其他语言中没有歧义。例如，作者根据希腊语中意为数字9的“ennea”表示（103）9以及希腊语和拉丁语中意为数字10的“deka”和“decem”表示（103）10，提出用Ronna（R）表示1027，用Ronto（r）表示10-27，用quetta（Q）表示1030，以及用quecto（q）表示10-30（原本建议使用“quecca”表示1030，但这个词与葡萄牙语中的“亵渎”含义太接近，故改用“quetta”）。 作者的建议在科学文献[7]中以及2019年和2021年的单位咨询委员会（CCU）[8, 9]上进行了充分商议，并得到普遍赞同。人们还认识到，该建议是对SI的一种中立性补充——它是有用的，但并非强制性的。即使新SI词头没有被广泛采用，也不会造成任何损失或混乱[10]。因此，2022年的第27届国际计量大会（CGPM）决定扩展可用的SI词头范围。（如表1所示） 表1 2022年第27届CGPM上采用的SI词头 Tab.1 The SI prefixes adopted at the 27th CGPM in 2022
2.3 2022年以后 在SI词头范围扩展到1030后，我们应当考虑推动IEC 80000-13[4]的更新，以扩展类似的二进制倍数的词头范围。按照惯例，290的词头是robi（Ri，源于ronnabinary：(210)9），2100的词头是quebi（Qi，源于quettabinary：(210)10）。 在大众科学媒体，甚至是科学文献中，总是会有关于新SI词头名称的建议，可以说这仍然是一个非常具有吸引力的话题。但只要没有真正迫切的技术需求，这些建议就不可能被事实采纳。未来，当真的需要进一步扩展SI词头范围时，有必要考虑重新引入复合词头——目前英语字母表已经没有字母可用于新的词头符号了（假设其他语言字母表的字符仍被排除在外）。在1960年SI正式建立之前，复合词头就已经被使用过，而重新引入这些符号需要制定使用规则。作者已经就相关规则提出了建议[11]。简单来说，可以只规定quetta或quecto分别作为倍数或分数的第二个词头。如此一来，对于倍数来说，将产生kiloquetta（kQ）、megaquetta（MQ）以及gigaquetta（GQ）等复合词头；而对于分数来说，将产生milliquecto（mq）、microquecto（μq）以及nanoquecto（nq）等。 作者还建议，将来非十进制词头可能会运用在化学领域，从而使小数量级的基本单元能够方便地用物质的量来表示，而不再是只对这些单元进行简单计数[12]。 |
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