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      計量單位:告別實物基準 迎來自然常數

      2019-05-21 11:16 光明日報

        5月20日,一年一度的世界計量日。今年的世界計量日主題為“國際單位制——根本性飛躍”,注定將是極具歷史意義的一天。這一天,“千克”等國際單位制的所有計量單位,正式迎來新的定義,用實物基準定義計量單位的方法成為歷史。這是2018年11月16日第26屆國際計量大會通過的決議,被認為是國際單位制創建以來最重大的變革。

        計量,在我國古代被稱為“度量衡”。從“邁步定畝”“掬手為升”到“國際千克原器”,人類的計量單位度過了以物理實物來作為基準的漫長時期。今天,所有實物基準已退出歷史舞臺,光速等以量子物理為基礎的自然常數走上前臺,重新定義我們的“度量衡”。

        計量邁入量子化時代,世界測量技術規則將重構。這對我們影響幾何?中國又將如何應對?

        “不靠譜”的實物基準

        國際單位制共有7個基本的計量單位:時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、熱力學溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發光強度單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。起初,計量單位都是基于實物或物質的特性來定義。以千克為例,最初定義為1立方分米水的質量,以一塊保存在國際計量局的鉑銥合金圓柱體為實物基準,即“國際千克原器”(IPK,俗稱大K),代表1千克的質量。各國的質量基準需要定期到國際計量局與大K做比對和校準,以保證計量量值的等效和一致性。

        但是,以實物作為基準,會遇到一個問題:這些實物會隨時間推移或環境改變而發生變化。比如大K是用19世紀末20世紀初工業界所能提供的最好的材料及工藝制成的,但時間久了還是會因為一些不易控制的物理或化學變化,導致其保存的量值有所改變。

        據國際計量局數據顯示,百年來各國保存的質量基準與大K的一致性發生了約0.05毫克的變化。“到底是各國保存的質量基準有問題,還是大K本身出現了問題,都不能確定。”中國計量科學研究院院長方向說。正如國際計量委員會副主席約阿希姆·烏爾里希的比喻:大K“掉在地上碎了”,宇宙萬物的質量都會受到影響。

        鑒于實物本身的不穩定性,科學界一直希望建立一個不依賴于物理實物的測量體系。20世紀以來,隨著量子技術的發展,人類對自然界的基本物理量或常數的測量準確度極大提高,比如光速、普朗克常數等,而且還發現這些常數比實物更加穩定,不會發生變化。他們將計量單位與物理常數聯系起來,以量子物理為基礎的自然基準取代實物基準。這樣不必擔心它們發生變化或丟失和“掉在地上”損壞后,給全球計量量值一致性帶來的災難。而且,準確度大幅提高。

        1967年,時間基準率先完成量子化變革,以銫-133原子超精細能級躍遷頻率來定義秒:銫-133原子“振動”9192631770次的時間周期為1秒。重新定義后的秒,比以前的測量精度提升了上千萬倍。然后是米,其新定義為光在真空中1/299792458秒(接近三億分之一秒)內行進的距離,作為實物基準的米尺被光速這樣的自然常數取代。

        大K是最后一個退出歷史舞臺的實物基準。千克的新定義根據質量與能量的關系來確定,以量子力學中用于計算光子能量的普朗克常數作為新標準。自此,國際單位制的七個計量單位,均實現量子化定義,實物基準被自然常數取代。

        影響很小但又很大

        計量單位的重新定義,對我們影響有多大?很小,但又很大。

        專家解釋,國際單位制的新定義生效后,只會影響到對測量準確度要求比較高的行業以及頂尖計量機構和校準實驗室等,對普通人以及我們日常生活不會造成直接影響。“你不會什么都沒做,就發現自己減肥了。”方向開玩笑道。

        據國際計量局介紹,新定義生效后,電壓單位伏特的量值將發生大約一千萬分之一的變化,歐姆的變化則更小,千克、開爾文、摩爾的變化更是微乎其微。或許有人會問:變化如此微小,有何意義?

        計量是測量的科學及應用。測得出才能造得出,測得準才能造得精。“計量科學的每一次進步,都極大地提高了測量精度,擴大了測量范圍。”方向說,先進的測量控制技術和精密儀器是科學發現的工具、技術創新的種子,許多具有劃時代意義的科技成果都由此產生。

        比如,衛星導航之所以能實現,與時間測量精度的極大提高有重要關系。中國工程院院士李天初解釋,在建立衛星導航系統時,每顆衛星上都有一個超精密的小鐘。四顆衛星發射四個信號,分別就能解出地球上接收機的高度、維度、精度和時間,實現定位。“時間同步需要精準到10的負14次方,才能使定位精確到一米。如果時間不準,定位就不準。”

        再比如,“米”以光速定義后,測量精度提高了萬倍以上,實現了從原子尺度到宇宙尺度的全范圍、高準確測量,由此誕生了激光測長技術,推動了納米科技和精密制造的快速發展,也為深空探測奠定了精密時空測量基礎。

        國際計量局相關負責人解釋,我們目前正處于量子化革命的開端,用自然常數定義計量單位,是適應下一代科學發展的需要。用基本常數作為我們認識和定義質量、時間等自然界基本概念的基礎,意味著我們在深化科學認知、推動技術進步、解決許多社會重大挑戰方面的基礎更加堅實了。

        “這好比你給房子換了一個更堅固的地基,從表面上是不可能看到任何變化的,但它可能已經發生了實質性的變化,使房子變得更耐久了。”該負責人說,就像1967年用原子的特性重新定義秒一樣,盡管當時人們并不知道它可以用在哪里。

        抓住機遇建立先進測量體系

        國際單位制的變革以及正式生效,讓科學界倍感振奮。“這對于我們建設世界科技強國和工業強國,是一個絕好的機遇,是一個天賜良機。”中國工程院院士譚久彬接受媒體采訪時表示。

        目前,我國獲得國際計量互認的校準和測量能力躍居全球第三,自主可控的國家時間基準達到3000萬年不差一秒,長度量子基準達到每米誤差不多于50納米,都躋身世界領先行列。在這次量子化變革中,我國對溫度、質量的重新定義也作出了重要貢獻,能夠保證我國量值與國際等效一致。不過,方向指出,我國計量基礎技術和設施還比較薄弱,對未來顛覆性技術系統性、前瞻性研究和布局不夠,很多關鍵核心技術還受制于人。

        量子化計量時代的到來,讓中國有了趕超國際的機會。中國工程院院士尤政認為,國際單位制實現量子化后,新的測量技術將應運而生,“大家又重新回到了同一個起跑線上”。

        “發達國家也有重建、改建測量體系的過程,如果我們抓好這次機遇,將極大地縮短追趕距離,甚至在很多方面能實現趕超。”譚久彬院士說,過去我國在測量能力上的短板不用再一點點補齊,而是要利用好量子化變革后量值傳遞扁平化的優勢,盡快建立我國新的測量體系。方向也建議,將以量子計量基準為核心、扁平化量值溯源為特征的“國家先進測量體系”,作為國家科技基礎設施發展的優先領域。

        對此,國家市場監管總局副局長秦宜智在計量日主題活動上表示,將匯聚各方資源,加快制定量子化時代計量發展戰略。并以計量量子化變革為契機,聯合相關部門研究編制新一輪國家計量發展規劃,加快推進國家現代先進測量體系建設,加強量子測量技術產業創新引領和布局發展。

        “面對國際單位制量子化變革帶來的機遇與挑戰,抓住了就會贏得戰略主動,抓不住就有可能錯失一個時代,甚至長期受制于人。”方向說。

      責編:樊俊卿
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