當(dāng)前國際計(jì)量體系正在經(jīng)歷歷史性變革，國際單位制將以量子等自然界基本常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義——計(jì)量單位將迎來量子化時(shí)代
人們?nèi)粘Ｋ玫摹懊住薄懊搿薄扒Э恕钡扔?jì)量單位，將被重新定義。記者日前從中國計(jì)量院主辦的“展望2025——國際計(jì)量發(fā)展重大挑戰(zhàn)”國際研討會(huì)上了解到，當(dāng)前國際計(jì)量體系正在經(jīng)歷歷史性變革，國際單位制將以量子等自然界基本常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義。國際計(jì)量委員會(huì)正在起草關(guān)于重新修訂國際單位制的草案，且有望于2018年被國際計(jì)量大會(huì)采納。計(jì)量將向先進(jìn)制造、醫(yī)學(xué)、新能源等新興產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域發(fā)展，帶來廣泛而深刻的影響。
量子基準(zhǔn)將取代實(shí)物基準(zhǔn)
據(jù)了解，國際單位制是全球統(tǒng)一的計(jì)量單位制，是構(gòu)成國際計(jì)量體系的基石。其核心是7個(gè)基本單位，即時(shí)間單位“秒”、長度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、熱力學(xué)溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。國際單位制最早形成于19世紀(jì)，伴隨著科技發(fā)展，發(fā)生了多次重大變革。
中國計(jì)量院院長方向介紹，20世紀(jì)80年代開始，量子力學(xué)的發(fā)展催生了國際單位制又一次重大變革。國際計(jì)量界決定對(duì)國際單位制的7個(gè)基本單位重新定義，將其與宇宙中恒定不變的量或基本物理常數(shù)聯(lián)系起來，以量子物理為基礎(chǔ)的自然基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)，這樣就不會(huì)受到空間和時(shí)間改變的影響，測(cè)量準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)得以大幅度提高。
“此次變革的核心是‘計(jì)量單位量子化’和‘量值傳遞扁平化’。”方向解釋，所謂“計(jì)量單位量子化”，是指通過全面采用量子計(jì)量基準(zhǔn)，大幅提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性；而“量值傳遞扁平化”則是指通過量子計(jì)量基準(zhǔn)與信息技術(shù)的結(jié)合，使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)。
“單位‘米’的基準(zhǔn)是實(shí)物米尺，各個(gè)國家都有一把作為基準(zhǔn)的米尺，而且需要溯源到國際計(jì)量局的國際米原器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定其準(zhǔn)確量值。然后通過實(shí)物傳遞到省一級(jí)、市一級(jí)、縣一級(jí)等一級(jí)級(jí)地進(jìn)行校準(zhǔn)。傳遞的過程越長，其精度的損失就越大。”方向說，現(xiàn)在通過激光的波長來定義“米”，因?yàn)榧す獾念l率和速度非常穩(wěn)定，只要準(zhǔn)確地測(cè)定某一種激光的頻率或速度，然后以此來計(jì)算一定時(shí)間里它走過的距離，就可以定義“米”了。
重新定義后的“米”為激光在真空中1/299792458秒（接近三億分之一秒）所走的距離，其準(zhǔn)確度比國際米原器大幅提高，而且其復(fù)現(xiàn)和傳遞可以不受時(shí)間和環(huán)境的影響，更能滿足我們不斷增長的測(cè)量需求。“現(xiàn)在的先進(jìn)制造、精密制造、精準(zhǔn)醫(yī)療等，對(duì)長度的測(cè)量需要精確到幾何級(jí)，直接用激光器來校準(zhǔn)，肯定比傳統(tǒng)方式要更精確。”方向說。
精準(zhǔn)計(jì)量催生新技術(shù)
近年來，國際單位制重新定義的相關(guān)工作已取得了重要進(jìn)展，目前僅剩一個(gè)基本單位——千克，定義仍沿用實(shí)物基準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)用基本物理常數(shù)和量子技術(shù)重新定義“千克”，包括中國計(jì)量院在內(nèi)的許多國家計(jì)量院已經(jīng)開展了多年實(shí)驗(yàn)研究。
作為國際單位制的基礎(chǔ)、核心和關(guān)鍵，時(shí)間頻率基準(zhǔn)已率先完成量子化變革，其定義從“天文時(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠幽芗?jí)躍遷的“原子時(shí)”，測(cè)量精度立刻提升了1000萬倍以上。正是基于時(shí)間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度達(dá)到了厘米級(jí)別。時(shí)間定義的變革還快速催生長度、電學(xué)、溫度、質(zhì)量等單位的重新定義。如“米”就是建立在“秒”的量子化變革基礎(chǔ)上，定義為激光在真空中三億分之一秒所走距離，使長度測(cè)量進(jìn)入原子級(jí)別。
“伴隨測(cè)量精度大幅提升，一大批革命性的新技術(shù)由此誕生，帶來產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。如精準(zhǔn)測(cè)量支撐了納米技術(shù)和石墨烯的應(yīng)用、提升了先進(jìn)制造中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的精度、推動(dòng)了精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、決定了核潛艇偵測(cè)和隱身技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)成敗等。”方向介紹。
據(jù)國際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞?英格利斯在研討會(huì)上介紹，國際計(jì)量委員會(huì)正在起草關(guān)于重新修訂國際單位制的草案，該草案有望于2018年被國際計(jì)量大會(huì)采納。當(dāng)天的研討會(huì)上，國際計(jì)量委員會(huì)以及美國、德國、中國等國家計(jì)量院的專家們還就國際單位制重新定義以及計(jì)量支撐“工業(yè)4.0”、智能電網(wǎng)和新能源等重要內(nèi)容進(jìn)行了探討。
不過，對(duì)于單位制重新定義后對(duì)日常生活帶來的影響，方向表示，“米”雖然還是那個(gè)“米”，內(nèi)涵卻有根本的改變，更加精準(zhǔn)和持續(xù)改進(jìn)成了其新的特質(zhì)，但其細(xì)微的變化我們?cè)谌粘Ｉ钪锌赡芎茈y感受得到。這些變化對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)人類認(rèn)識(shí)和改造自然有著不可估量的作用。
摘自 光明網(wǎng)
