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国际单位制量子化变革的影响和挑战


高健强,高级工程师,硕士学历,原工作单位:上海市计量测试技术研究院,现为赢咖平台在线注册重大项目组负责人,上海市老科技工作者协会质量技术委员会主任委员,多次荣获过上海市级科技成果奖。多年来积极参与国家质量技术基础NQI前期研究、国家产业计量体系、计量科技创新体系以及区域计量支撑体系的顶层设计与研究,还参与了上海市计量发展规划与上海市NQI军民融合发展等方面的顶层设计研究,曾发表多部计量科普及历史学专著,编写了数百篇科学计量、工业计量、能耗计量等科普专题文章。

现在进入计量世界



2018年11月,国际计量大会将通过关于赢咖平台在线注册国际单位制(SI)

的一项重大变革,即全面完成用自然法规定义SI的历史性转变,从此消除SI与实物原器定义之间的关联。许多人或许会对此会不以为然,国际单位制(SI)的重新定义不过是一个技术上或学术上的问题,和人们的生活又有多少关系,与我国的科技进步与社会发展有多少关系呢?那么,现在就让我们来回顾一下人类历史上曾经发生过的几次计量单位制变革,看看这项变革究竟会给全人类带来哪些变化和影响这项变革对于人类文明进

1.
单位制的历史变革


在人类漫长的历史进程中,

单位制大致经历了三个发展时期:

程的意义十分重大,标志着人类科技将全面迈向量子时代。

度量衡时期度度量衡时期量衡时期


度量衡时期——这个时期相当漫长,历经了数千年之久,而测量工具的发明甚至可追溯到距今8千至1万年的史前文明阶段。

在我国历史上,最重大的事件是秦始皇完成统一中国大业后颁发诏书,实行“车同轨、书同文”和“统一度量衡”,这一措施延续了百代,也为中华民族此后的经济、文化繁荣昌盛奠定了坚实的基础;

米制公约开始——第二个时期从1875年多国签署?米制公约?开始,到1960年共经历了85年。米制的诞生成为工业革命、物理学革命以及后来出现的经济全球化浪潮的重要基础;

改用量子化定义——第三个时期从1960年长度单位“米”和1967年时间单位“秒”改用量子化定义开始,到2018年共经历了58年。这个时期世界发生的变革许多人已亲身经历并有目共睹,信息时代、知识经济、科技革命、产业进步的浪潮如同暴风骤雨般席卷全球,直到今天仍方兴未艾。

测量是人类认识世界和改造世界的基本工具,也是智慧、科学和知识的来源。测量科学和技术的进步和发展,代表着人类对自然和宇宙认识的不断深化。而在人类历史上,几乎每一次发生在测量领域的革命,随之都会让世界发生翻天覆地的变化。

1875年

17个国家在法国巴黎共同签署的?米制公约?,使法国创建的长度单位“米”逐步为世界各国所采用。由于“米”定义在地球子午线这一宏观自然基准上的,使测量结果比传统的度量衡器具更为准确和稳定,并可为全人类所共享。

1960年

“米”的定义由宏观自然基准转向微观世界,即用物质内部能量来定义长度单位,使测量准确度和稳定性显著提高,激发了20世纪以来的科技进步浪潮。


1967年

时间单位“秒”的定义由天文时迈向了原子时,时间测量的准确度较先前一下子提高了3~4个量级。世界随着时间的精准发生了巨大变革,在短短的50年里,创造出的知识、物质和精神财富远远超过了人类有史以来创造财富的总量,也让人类社会昂首阔步地跨入了全新的信息时代。


2.
即将发生的第四次SI变革


20世纪以来,科学界已经完成了对七个基本物理量单位中的长度单位“米”和时间单位“秒”以及发光强度单位“坎德拉”的量子化定义。然而,还有四个物理量单位的定义没有实现量子化。其中,质量单位“千克”原器是通过水的体积导出的唯一人造实物量具,即用一个由铂铱合金制作成的千克圆柱体标准砝码,至今仍然保存在法国巴黎国际计量局地下室里。

尽管这个砝码一直保存在恒定的环境下,然而历经120多年后,其质量还是发生了改变,经与其他砝码比对已减轻了约50微克。半个多世纪以来,科学家们一直在寻找用其他非实物的形式来定义“千克”,比如探索采用纯硅原子球的方案来取代。


这个方案是用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准,其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。德国和澳大利亚的科学家在实施“阿伏伽德罗计划”中曾制造出一种直径为10厘米的“完美硅球”,球体中心至表面任何一点的距离误差都三千万分之一毫米,然后再精确测算出硅球中有多少个原子。而这个方案已经与千克砝码实物基准的准确度相当,却没能够完美地超越,仍不能担当替代并终结标准铂铱砝码的重任。

20世纪70年代和80年代分别出现了两项科学成就为人们攻克质量单位“千克”指出了新的方向。这两项科学发现分别是:利用约瑟夫森效应制成的电压计量基准和利用量子霍尔效应制成的电阻计量基准以及约瑟夫森常数Kj和冯克里青常数Rk

两项重大科技成果实现了量子论创始人普朗克1906年提出的“所有基本物理量都可以用普朗克常数来定义”的愿望,成为SI全面走向量子化的重要里程碑。利用约瑟夫森的电压和量子化霍尔基准的量子电功率,再经过速度及重力就可以导出质量量值。虽然只是一种间接方法,但构思却十分巧妙。



2011年,国际计量委员会(CIPM)正式同意运用普朗克常数来表达“千克”的方法。这种方法主要基于现有“千克”参考量的相关试验来设定普朗克数值,再利用这一数值来间接定义“千克”。


2017年,国际计量委员会通过全球四个计量科学实验室对质量单位“千克”的间接定义进行比对验证。其中,美国标准技术研究院(NIST)的斯蒂芬?史兰明格团队公布了其测得普朗克常数是迄今为止最精确的数值,并向国际计量委员会提交了这一重要结果。由此,质量单位“千克”新定义大门即将开启。


与质量单位“千克”突破的路径相同,另有三个基本物理量单位:电流单位“安培(A)”、热力学温度单位“开尔文(K)”和物质的量单位“摩尔(mol)”也可以用普朗克常数来间接定义。至此,七个SI基本单位将在2018年全部实现量子化定义。


3.
SI的量子化将引发的竞争和重大挑战



全球量值溯源体系由单极化转向多极化

由于2018年SI四个基本单位采用了基本物理常数重新定义,促进了国际量值溯源体系的变革。未来全球量值溯源将由目前向国际计量局一极转变为多极,即向不同国家拥有的世界最高等级计量基准溯源,而测量比对将成为量值溯源的一个重要途径。这项变革势必引发各国在计量科学领域的竞争,将有力推动全人类测量水平的提升,进一步促进科技和新兴产业的发展。


全球量值溯源体系迈向零链条


量值溯源向极限突破

在基本物理量单位中,科技进步速度最快的要数时间频率的计量。上世纪60年代起启用原子时重新定义“秒”,原子钟的时间准确度就比传统的天文时高出4~5个量级。


此后,在科技进步推动下,时间频率基准的准确度不断跨越新的高度。如今的铯原子喷泉钟的准确度可以达到10-15量级,比上世纪60年代提高了2~3个量级。而在铯原子钟后,国际上又出现了光晶格钟(又称光钟)、激光冷原子钟、量子逻辑钟等新型原子钟。


未来的原子钟准确度更可高达惊人的10-21,准确度将比现今的铯原子钟高出6个数量级,达到登峰造极的高度。著名的普朗克公式是普朗克常数和能量(频率)的乘积。


当时间频率准确度大幅度提高后,可为SI最终走向统一奠定基础。或许在不远的未来,仅用时间频率一个基本单位就可以诠释所有物理量单位。除了时间单位以外,其他物理量单位也在不断挑战其测量的极限。


比如用玻尔兹曼常数定义的温度计量基准,能够实现从绝对零度到超高温任何点的精确测量,而传统的热电偶计量技术将被彻底淘汰。而对阿伏伽德罗常数的精确测定,可以使许多物理、化学的测量更为精准。


4.
各国应对SI量子化变革的措施


人类社会迄今取得的所有文明成果都与测量活动与测量科技的发展密切相关。而在上世纪60年代SI单位定义开启量子化进程的时刻,也许还没有人能够提前想象或预知它会对这个世界带来多么大的改变。


然而,此后发生的一切却已经令人瞠目结舌。它让以往无数的科学幻想变成了现实,让人们摆脱了坚守传统和经验的时代,催生了半导体、激光、光纤、传感器、移动通讯、物联网、卫星定位、纳米材料、新能源、人工智能、大数据、脑科学、基因测序、精准医疗等许许多多的新技术和新产业,开启并推动了深空探测、引力红移、中微子探测、暗物质研究等大量基础新学科,并成为促进人类社会可持续发展的主要支柱。


可以说:当今世界,谁能执计量科学之牛耳,谁就能掌握全球科技和工业的话语权和领导权。


为了迎接国际单位制(SI)的量子化变革,发达国家已纷纷开展布局。例如美国把量子技术视为增强国家安全的突破性技术,把量子计量科技确定为国家重点投资的领域,在上世纪末就确立了量子计量基准研究的重点项目。


美国NIST等多个部门聚焦量子计量与传感技术,物理测量实验室在量子前沿科学技术领域开展了大量的探索;美国天体物理联合实验室(NIST与科罗拉多大学联合)和量子联合实验室(NIST与马里兰大学联合)共同开展核心技术的研发;NIST的纳米科学技术中心为本国的微纳米加工提供技术支持,全力确保美国在这轮“量子化变革”中的领先优势,以确立美国在新一轮工业革命中的主导地位。


近年来,英国的量子技术研究已经处在全球领先的地位,英国政府的《2013年秋季声明》宣布,将投资207亿英镑设立国家量子技术计划;英国国家物理实验室(NPL)在其发布的《2020愿景规划》中,已率先预见了基于基本单位制的重新定义将大幅提高计量的准确性、大幅缩短溯源链,并使智能、嵌入式、互联式、泛在式的计量成为可能,将为自然法则验证和物理常数等基础研究的发展搭建更加稳定的平台


欧盟将于2018年启动一项投资总额在10亿欧元的”量子技术旗舰”和“计量联合研究”计划,将致力于打造新计量体系,并期待通过通信、模拟器、传感器和计量算法四个方面的短中期发展,实现原子量子时钟和量子传感器等方面的重大应用。


除此以外,日本国家计量院(NMIJ)和韩国国家计量院(KRISS)等也在全力部署和开展应对SI重新定义的量子计量基准研究工作。


5.
应对SI量子化变革带来的挑战


面对SI重新定义后将出现的巨大变革,自2017年以来,我国政府相关部门和各主流媒体已陆续发布了有关SI量子化变革的专题文章和信息,并把应对SI量子化变革列为2018年全国计量工作要点的首要任务。2018年“世界计量日”活动以“国际单位制的量子化演进“为主题,在全国范围开展计量科学的宣传普及。


近年来,我国在量子计量基准等研究领域相继取得了一批重要科技成果。包括新一代时间频率基准、约瑟夫森电压基准、量子化霍尔基准以及玻尔兹曼常数、阿伏伽德罗常数等量子化基准的研究已处于世界先进水平。不过,相对于发达国家,我国在计量科学领域还存在一些短板和技术瓶颈有待攻克。而在国家计量体系的建设方面,由于我国?计量法?是1985年发布的,已经建立的量值溯源体系很难适应并满足现代科技进步、产业变革和社会各领域测量准确度提高的需要,亟待修订和完善。为此,向政府有关部门提出如下建议:

一是

要加快开展应对基本单位的量子化变革顶层设计和布局,把发展量子计量基准和社会公用计量标准纳入国家科技和计量发展的中长期规划;

二是

要加大对量子计量技术研究和应用的财政投入,要集全国之力研发并攻克量子溯源零链条关键技术和器件,尽快投入商业应用。

三是

要在国家NQI项目、军民融合创新计划中建立测量标准量子化前沿科技创新的重大专项;

四是

要进一步加强基础性研究,加快国家大科学基础测量装置的布局和研究,争取在量子力学理论研究领域取得一批国际领先的科技成果;

五是

要进一步深化计量科技体制的改革,为计量技术机构的科技创新注入更大的活力,有效推进国家现代先进测量体系的建设;

六是

加强计量人才特别是顶尖计量科学家的培养,加快国际间的计量科技合作与交流。

SI量子化对我国乃至整个世界的影响和意义都极为深远,关系到中华民族的复兴伟业,也关系到经济和社会的可持续发展,应当引起各级管理部门的高度重视。总之,我们一定把握百年一遇的重大机遇,努力克服发展中的短板,注重发挥各领域的计量科技创新力量,力争使我国成为国际量值溯源体系多极格局的重要一极,成为引领世界科技、经济和产业未来变革的领导者。












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