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澳门新葡新京网赌 世界计量日再谈国际单位制变革对计量行业未来发展的影响

425    2020-05-20    发布者:澳门新葡新京杂志社    来源:通讯员 罗林聪

2018年11月16日,国际计量大会通过了国际单位制基本单位的量子化定义方案,2019年5月20日起实行新的国际单位制。至今,新的国际单位制刚好实施了一年,这一年来人们对国际单位制变革进行了热烈的讨论。在2020年“5·20世界计量日”到来之际,就国际单位制变革对计量行业未来发展影响的谈谈自己的几点看法。

一、计量与国际单位制的变革

计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量活动。计量结果是由测量值与计量单位构成,而国际单位制( International system of units,SI) 就是全球统一的计量单位制,是构成国际计量体系的基石。国际单位制自建立以来就是随着计量技术的进步而不断发展的。

早期计量所依据的单位取决于人的主观意识,往往以人体某个部位或自然物体为基准。2500年前的古希腊哲学家普洛泰戈拉就说过“人是万物的尺度”。在古代长期的生产实践中,人们创造了诸如“结绳记事”、“布手知尺”、“滴水计时”等计量方法。但是不同地区对同一个计量量使用不同计量单位的情况时常发生,如战国时期各诸侯国的长度、金钱的度量单位就不一样。直到公元前221年的秦朝“一法度衡石丈尺,车同轨,书同文”,我国才有了统一的度量衡单位。英国到中世纪末期(公元13~15世纪)都还没有一个准确的长度标准,比如一英尺规定为一个成年男子一只脚的长度。法国在大革命前,约有800个单位名称,以及令人震惊的25万种度量标准[1]。

工业革命之后,随着自然科学的全面发展和社会化生产、国际贸易的不断扩大,世界计量单位制度的统一迫在眉切。于是,计量史上最关键的事件出现了。1875年5月20日,《米制公约》在法国签署,并认定米制为国际通用的计量单位,规定了米、千克、秒的定义。

1954年第10届国际计量大会,决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度这6个量作为计量单位制的基本量。1960年第11届国际计量大会将之名为国际单位制(SI),标志着现代计量阶段的开始,它将以经典理论为基础的宏观实物基准,转为以量子物理和基本物理常数为基础的微观自然基准,以期保持基本单位的长期稳定性。1971 年,增加“物质的量”作为第7个基本量,并确定了SI的基本单位,即米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、坎德拉(cd)、摩尔(mol)。

20世纪60年代,时间单位“秒”率先从“天文时”跃升到“原子时”,测量精度提高了一千万倍以上;80年代,长度单位“米”完成量子化定义,“光在真空中299792458分之一秒所经过的距离”,测量精度提高了近10000倍,实现了从原子尺度到宇宙尺度的全范围、高准确测量。

2018年11月16日召开的第26届国际计量大会,将SI基本单位中的4个: 千克、安培、开尔文和摩尔,分别改由物理常数(普朗克常数h、基本电荷e、玻尔兹曼常数k 和阿伏伽德罗常数NA)定义,至此实现7个基本单位全部由量子化定义。SI基本单位变革简史见图2所示[2]

新定义已于2019年5月20日正式生效,人类也随之迎来全新的国际单位制量子化新时代。用来定义SI基本单位的几个常数之间是相互关联的,无论是基本单位还是导出单位,都可以溯源到秒。因此,秒在新的SI 中就有了非常特殊的地位,如图2所示[3]

图2 国际单位制变革前后基本单位关系对比

计量科学及其测量技术的发展,以及人们生产和贸易的需求,促使了计量单位制的统一,并最终促进了国际单位制的建立和发展。国际单位制的统一反过来又促进了计量科学向着更高准确度更精尖方向前进。二者是相互依赖、相互促进的关系。 

二、国际单位制变革带来的影响

国际单位制基本单位的量子化定义,实际是使用不变的自然法则创建不变的测量规则,能够实现从极小值测量到极大值测量,将原子和量子尺度的测量与宏观层面的测量联系起来[4]。国际单位制的这次重大变革将首先在对测量准确度水平要求最高的领域产生影响,对我国整个计量行业发展的影响将逐步显现出来,主要体现在以下几个方面。

(一)实现国际计量基准量子化,量值传递溯源扁平化。

当前,我国创新驱动战略、质量强国战略正在全面推进,科技创新进入了大数据、人工智能时代,更加精准、更加快速、更加极端的测量需求成为共识,而无所不在的物联网和智能传感器,使得量值溯源更加泛在,对量值溯源方式提出了颠覆性的诉求。传统的实物、逐级、长链条的量值溯源方式已经不能满足这种需求,量值传递、溯源的“扁平化”便成为了必然要求。量值传递扁平化正是量子计量基准与信息技术结合的革命性产物,是未来计量技术创新变革的前提和支撑。物传物的计量体系与单一中心的国际计量溯源格局将成为历史,将形成以部分先进国家为主体的多级全球中心或区域中心。抓住国际单位制变革机遇,占领技术制高点,是决定未来几十年,我国能否有效突破创新瓶颈,拥有国际技术规则主导权的关键。

(二)引领新一轮计量技术革命,引发量子计量技术研究热潮。

在新的国际单位制下,量子计量的发展使得随时随地的测量成为可能,高精尖测量技术被加速研制和应用,不仅将改变传统的溯源方式,还将带来计量技术领域的革命性创新发展。例如,美国的“芯片上的国家计量院”计划,欧盟于2016年启动“量子技术旗舰”计划,以及在亚洲的日本和韩国也投入巨资布局量子计量研究。量子计量基准的研发,芯片尺度的计量标准,带来高稳定、强可靠、自适应、多功能、低消耗的先进测量技术,将为人工智能提供可靠的感知,必将促进仪器仪表产业的颠覆性创新发展,也将为现代科技和军事发展提供新的契机[5]。因此,我国应抓住国际单位制变革的重大机遇,应对量子计量技术的研究,全力推进基本物理常数的精密测定,力争在国际单位制变革中占据更大的权重,构建起以量子基准为核心的新一代计量基标准体系,进一步夯实国家计量基础技术,在国际计量界确立中国的先进地位。

(三)引发仪器仪表产业颠覆性创新发展,有利于我国实现弯道超车。

国际单位制变革后,基于量子化定义的测量方法与信息技术、物联网技术相结合,可研制开发新型的量子传感器和量子计量标准装置,实现校准的在线化、精确化、实时化,必将推动了量子计量技术的发展,带动整个仪器仪表产业的颠覆性发展。新的测量原理、测量发放和测量仪器将应运而生,测量仪器将朝着微型化、智能化、集成化、量子化、系统化方向发展,实现集多参量、高准确度传感器为一体的综合测量以及抗干扰免校准的实时测量。譬如,量子芯片计量和量子传感利用原子、电子、光子等可被精确控制和测量,从而实现对磁场、加速度、重力、时间、压力、温度、惯性等物理量的高精度量值传递和溯源[6]。当今全球量子技术还处在发展的初级阶段,仅有少量的产品实现了商业化,如量子通信和量子钟技术,因此我国在量子计量领域还大有可为,我国高端仪器仪表可借此绝佳时机实现弯道超车。

三、结束语

国际单位制的量子化定义,可谓21世纪计量学科发生革命性的创新,必将改变计量行业未来的发展,带来世界计量的新格局,也为中国计量迈进国际先进水平提供了弯道超车的机遇。


参考文献:

[1] 段宇宁,刘旭红.漫谈国际单位制变革[J].计量技术,2019(05):3-7.

[2]宋明顺, 方兴华, 马爱文,等. 论新国际单位制(SI)的"秒制"特征及其未来发展[J]. 计量学报, 2019(4):541-548.

[3] 杜晓爽,胡毅飞,冯英强,李新良等.国外计量测试技术发展动态及趋势综述[J].宇航计测技术,2018,38(05):24-32..

[4] 杨利民,刘中雨,梁艳.浅谈计量单位的量子化[J].中国计量,2019(04):21-23.

[5] 张文礼.方向:中国计量发展迎来“并道超车”战略机遇期[J].中国计量,2019(04):10-12.

[6] 段宇宁,吴金杰.国际计量开启新纪元:基本单位的量子化定义[J].自动化仪表,2019,40(04):1-4.


作者:罗林聪


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