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方向院长对计量技术体系的对话

将于明年召开的第26届国际计量大会,将审订新的国际单位制(SI)修订案,千克(kg)、开尔文(K)、摩尔(mol)、安培(A)4个基本单位将被重新定义。届时,SI单位将实现量子化变革,这为“量值溯源扁平化”奠定了坚实基础。

方向院长对计量技术体系的对话

日前,中国计量科学研究院召开原子时诞生50周年学术报告会。中国质量报记者也与中国计量科学研究院院长方向对话,探讨国际单位制变革带来的影响和应对策略。

记者:此次学术报告会的背景和目的是什么?

方向:50年前的1967年,第13届国际计量大会通过决议,采用基于原子跃迁的“原子秒”取代“天文秒”,对国际单位制的“秒”进行重新定义,这标志着原子时的诞生。原子时诞生50年来,不仅时间频率的测量准确度跃升1000万倍,成为目前测得最准的物理量,直接支撑了卫星导航定位产业等的发展。更为重要的是,它打开了国际单位制(SI)量子化的大门,标志着计量从“实物到量子”时代的迈进。同时还为传统实物计量标准受限于材料和工艺、最高基准受限于时空、传递链过长导致准确度连续下降等问题提供了全新的解决途径。

我们知道,国际单位制是全球统一的计量单位制,是构成国际计量体系的基石。2018年,第26届国际计量大会将审订新的SI修订案,将国际单位制的基本单位与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来,这必将催生国际单位制又一根本性的变革,也将对全球经济社会发展和科技创新产生深远影响。

因此,在纪念原子时诞生50周年之际,在面临国际单位制从实物到量子的变革之时,此次会议应运而生,意义重大。

记者:现行的国际单位制面临哪些问题?为什么需要变革?

方向:国际单位制最早形成于19世纪,伴随着科技发展,发生了多次重大变革,并带动了国际计量体系和国际测量技术规则的不断完善。

过去,许多SI单位的定义都源自实物原器,比如砝码、米尺等。国际千克原器是目前仅存的定义质量单位“千克”的实物原器。实物原器可能会发生变化,被损伤或毁坏。目前,全世界各国的国家千克原器需要定期运送到位于法国的国际千克原器保存地国际计量局,进行质量比对。运送原器这一行为本身就会给各国的原器带来风险。更重要的是,国际千克原器本身的质量就不稳定,并且从1889年起它就可能开始产生未知的变化。如果千克原器的质量发生了某一量级的变化,那么这就会限制它所能够达到的最高准确度。对此,国际计量界一直在思考更好的解决方案。

20世纪80年代开始,随着量子力学的发展,国际计量界决定对国际单位制基本单位予以重新定义,以量子物理为基础的自然基准取代实物基准。这样就不会受到空间和时间改变的影响,同时测量准确度等技术指标得以大幅度提高,带动大部分量的测量准确度得到提高。

记者:国际单位制变革将会给产业发展和百姓生活带来哪些影响和变化呢?

方向:可以说,国际单位制变革为“量值溯源扁平化”奠定了坚实基础,计量技术体系将经历历史性变革,世界测量技术规则将予重构。

2018年,除摩尔和坎德拉之外的其他国际单位制基本单位将全部实现对时间频率的溯源。例如,长度单位“米”不再是传统米尺,而定义为激光在真空中三亿分之一秒所走距离,由此使长度测量进入了原子级别。正是基于时间定义的量子化变革,实现了卫星导航定位,其精度更是达到了厘米级别,成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。

在高科技时代,长度不止细分到纳米,时间不止细分到飞秒。新国际单位制的技术开放性对未来所有关于精度方面的技术进步都极为有利。伴随测量精度大幅提升,一大批革命性的新技术由此诞生,将带来产业的跨越式发展。比如说,精准测量支撑纳米技术和石墨烯的应用、促进先进制造中航空发动机的精度提升、推动精准医疗产业的发展等等。

不过对于大多数普通民众来说,国际单位制变革前后,日常生活中的测量活动没有明显差别,电子秤、加油泵、血压计等该怎么用还怎么用;实验室中的全血细胞计数和工业大尺寸坐标测量机等,新定义也不会让它们显示不一样的数值。因为,国际计量界对单位制修订最重要的要求就是这一修订过程要平缓过渡,不能对社会生活、对任何测量服务造成突变性的、明显的影响。不过国际单位制变革对生活带来的影响是潜移默化的,未来将会因为这一变革催生某种科技产业,对我们的生活带来直接的变化。

记者:目前国际上主要的计量大国针对国际单位制变革有哪些应对措施?

方向:目前,世界主要计量大国为应对国际单位制变革已提前进行了布局,开展了大量与国际单位制重新定义有关的基础前沿研究,比如通过大量的研究工作完成新的量值复现方法研究,以及与传统量值传递方法平稳衔接的研究等等。

新的国际单位制变革从根本上改变了传统的单极化的量值溯源理念。基于单位制新定义的原位复现方法和零链条溯源理念已经由英国、美国提出,并积极推进相应的研究工作。传统上,以专职复现、保存,并传递基本单位量值为核心工作的国家计量院,在国际单位制变革中需要逐渐增加适合现场需要、方便实用的量值复现方法研究,不同复现方法之间的差异、影响研究,以及如何协调不同方法复现结果的研究。传统的以输出准确测量量值为产品的计量院,向社会提供的产品将逐渐转变为提供准确测量的整体解决方案。国家计量机构与社会需求的融合度将进一步提高。

记者:请您介绍一下我国为应对SI变革有哪些计划和措施?中国计量科学研究院在这方面做了哪些工作?

方向:我国计量界很早就意识到国际单位制变革的迫切性,及其可能带来的挑战和机遇。为应对国际单位制变革,近几十年来,作为中国的国家计量院——中国计量科学研究院持续开展与国际单位制有关的基础前沿研究。2005年以来开展了旨在应对国际单位制重新定义的部分基本物理常数精密测量的研究工作。其中,玻尔兹曼常数测量用两种不用的方法均取得了很好的测量结果,被国际基本常数委员会(CODATA)收录,为该常数定值做出了实质性贡献。我们研制的国家时间频率基准——NIM5铯原子喷泉钟通过国际计量局认可参与驾驭国际原子时(TAI)。

在应用方面,比如我们研制的两米线纹比长仪、高精度激光二坐标标准装置等系列以激光波长米为基准的几何量基准,对保证国家生产制造中几何参量量值的准确一致,建立起国家几何量计量体系起到了重要作用。此外,面向坎德拉量子化的光子计量研究工作,也已形成了面向单光子探测和微弱光辐射计量较为全面的校准测量能力。

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