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2019-05-21 13:24:39

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  计量单位:告别实物基准迎来自然常数

  5月20日,一年一度的世界计量日。今年的世界计量日主题为“国际单位制——根本性飞跃”,注定将是极具历史意义的一天。这一天,“千克”等国际单位制的所有计量单位,正式迎来新的定义,用实物基准定义计量单位的方法成为历史。这是2018年11月16日第26届国际计量大会通过的决议,被认为是国际单位制创建以来最重大的变革。

  计量,在我国古代被称为“度量衡”。从“迈步定亩”“掬手为升”到“国际千克原器”,人类的计量单位度过了以物理实物来作为基准的漫长时期。今天,所有实物基准已退出历史舞台,光速等以量子物理为基础的自然常数走上前台,重新定义我们的“度量衡”。

  计量迈入量子化时代,世界测量技术规则将重构。这对我们影响几何?中国又将如何应对?

  “不靠谱”的实物基准

  国际单位制共有7个基本的计量单位:时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。起初,计量单位都是基于实物或物质的特性来定义。以千克为例,最初定义为1立方分米水的质量,以一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体为实物基准,即“国际千克原器”(IPK,俗称大K),代表1千克的质量。各国的质量基准需要定期到国际计量局与大K做比对和校准,以保证计量量值的等效和一致性。

  但是,以实物作为基准,会遇到一个问题:这些实物会随时间推移或环境改变而发生变化。比如大K是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的,但时间久了还是会因为一些不易控制的物理或化学变化,导致其保存的量值有所改变。

  据国际计量局数据显示,百年来各国保存的质量基准与大K的一致性发生了约0.05毫克的变化。“到底是各国保存的质量基准有问题,还是大K本身出现了问题,都不能确定。”中国计量科学研究院院长方向说。正如国际计量委员会副主席约阿希姆·乌尔里希的比喻:大K“掉在地上碎了”,宇宙万物的质量都会受到影响。

  鉴于实物本身的不稳定性,科学界一直希望建立一个不依赖于物理实物的测量体系。20世纪以来,随着量子技术的发展,人类对自然界的基本物理量或常数的测量准确度极大提高,比如光速、普朗克常数等,而且还发现这些常数比实物更加稳定,不会发生变化。他们将计量单位与物理常数联系起来,以量子物理为基础的自然基准取代实物基准。这样不必担心它们发生变化或丢失和“掉在地上”损坏后,给全球计量量值一致性带来的灾难。而且,准确度大幅提高。

  1967年,时间基准率先完成量子化变革,以铯-133原子超精细能级跃迁频率来定义秒:铯-133原子“振动”9192631770次的时间周期为1秒。重新定义后的秒,比以前的测量精度提升了上千万倍。然后是米,其新定义为光在真空中1/299792458秒(接近三亿分之一秒)内行进的距离,作为实物基准的米尺被光速这样的自然常数取代。

  大K是最后一个退出历史舞台的实物基准。千克的新定义根据质量与能量的关系来确定,以量子力学中用于计算光子能量的普朗克常数作为新标准。自此,国际单位制的七个计量单位,均实现量子化定义,实物基准被自然常数取代。

  影响很小但又很大

  计量单位的重新定义,对我们影响有多大?很小,但又很大。

  专家解释,国际单位制的新定义生效后,只会影响到对测量准确度要求比较高的行业以及顶尖计量机构和校准实验室等,对普通人以及我们日常生活不会造成直接影响。“你不会什么都没做,就发现自己减肥了。”方向开玩笑道。

  据国际计量局介绍,新定义生效后,电压单位伏特的量值将发生大约一千万分之一的变化,欧姆的变化则更小,千克、开尔文、摩尔的变化更是微乎其微。或许有人会问:变化如此微小,有何意义?

  计量是测量的科学及应用。测得出才能造得出,测得准才能造得精。“计量科学的每一次进步,都极大地提高了测量精度,扩大了测量范围。”方向说,先进的测量控制技术和精密仪器是科学发现的工具、技术创新的种子,许多具有划时代意义的科技成果都由此产生。

  比如,卫星导航之所以能实现,与时间测量精度的极大提高有重要关系。中国工程院院士李天初解释,在建立卫星导航系统时,每颗卫星上都有一个超精密的小钟。四颗卫星发射四个信号,分别就能解出地球上接收机的高度、维度、精度和时间,实现定位。“时间同步需要精准到10的负14次方,才能使定位精确到一米。如果时间不准,定位就不准。”

  再比如,“米”以光速定义后,测量精度提高了万倍以上,实现了从原子尺度到宇宙尺度的全范围、高准确测量,由此诞生了激光测长技术,推动了纳米科技和精密制造的快速发展,也为深空探测奠定了精密时空测量基础。

  国际计量局相关负责人解释,我们目前正处于量子化革命的开端,用自然常数定义计量单位,是适应下一代科学发展的需要。用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础,意味着我们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。

  “这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了。”该负责人说,就像1967年用原子的特性重新定义秒一样,尽管当时人们并不知道它可以用在哪里。

  抓住机遇建立先进测量体系

  国际单位制的变革以及正式生效,让科学界倍感振奋。“这对于我们建设世界科技强国和工业强国,是一个绝好的机遇,是一个天赐良机。”中国工程院院士谭久彬接受媒体采访时表示。

  目前,我国获得国际计量互认的校准和测量能力跃居全球第三,自主可控的国家时间基准达到3000万年不差一秒,长度量子基准达到每米误差不多于50纳米,都跻身世界领先行列。在这次量子化变革中,我国对温度、质量的重新定义也作出了重要贡献,能够保证我国量值与国际等效一致。不过,方向指出,我国计量基础技术和设施还比较薄弱,对未来颠覆性技术系统性、前瞻性研究和布局不够,很多关键核心技术还受制于人。

  量子化计量时代的到来,让中国有了赶超国际的机会。中国工程院院士尤政认为,国际单位制实现量子化后,新的测量技术将应运而生,“大家又重新回到了同一个起跑线上”。

  “发达国家也有重建、改建测量体系的过程,如果我们抓好这次机遇,将极大地缩短追赶距离,甚至在很多方面能实现赶超。”谭久彬院士说,过去我国在测量能力上的短板不用再一点点补齐,而是要利用好量子化变革后量值传递扁平化的优势,尽快建立我国新的测量体系。方向也建议,将以量子计量基准为核心、扁平化量值溯源为特征的“国家先进测量体系”,作为国家科技基础设施发展的优先领域。

  对此,国家市场监管总局副局长秦宜智在计量日主题活动上表示,将汇聚各方资源,加快制定量子化时代计量发展战略。并以计量量子化变革为契机,联合相关部门研究编制新一轮国家计量发展规划,加快推进国家现代先进测量体系建设,加强量子测量技术产业创新引领和布局发展。

  “面对国际单位制量子化变革带来的机遇与挑战,抓住了就会赢得战略主动,抓不住就有可能错失一个时代,甚至长期受制于人。”方向说。

  (本报记者 陈海波)


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