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中国计量科学研究院院长方向技术解读
2018-12-12 10:06:20   来源:中国市场监管   评论:0 点击:

尊敬的各位嘉宾、女士们、先生们,新闻界的朋友们:大家好! 下面我从技术和应用层面出发,介绍此次国际单位制变革的主要内容,解读新
          
中国计量科学研究院院长  方向

尊敬的各位嘉宾、女士们、先生们,新闻界的朋友们:
大家好!
 
      下面我从技术和应用层面出发,介绍此次国际单位制变革的主要内容,解读新国际单位制的特点和意义,以及它将为人们日常生活乃至国家经济社会发展带来的影响。
      国际单位制SI是从“米制”发展起来的国际通用的测量语言,是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制规定了7个具有严格定义的基本单位,分别是时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。它们好比7块彼此独立又相互支撑的“基石”,构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其它单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特、能量单位焦耳等等,都可以由这7个基本单位组合导出。
      日前,第26届国际计量大会通过了关于修订国际单位制的决议。国际单位制7个基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义;另外3个基本单位在定义的表述上也做了相应调整,以与此次修订的4个基本单位相一致。
      这使国际单位制的“基石”完全建立在“常数”上,全球测量体系发生了“不变”的“巨变”。
      对大多数人来说,国际单位制是“不变”的。除电学单位外,新定义下各个单位大小和旧定义几乎完全一致。事实上,电学单位的改变也微乎其微,电压单位的变化约为正千万分之一,电阻单位的变化则更小。但这只会影响对测量不确定度要求最高的顶尖计量机构和校准实验室,对于普通用户、产业界人士和多数科研人员来说,新定义不会对他们造成影响,他们的测量结果仍将是连续的。这看上去似乎理所当然,但实际上却是全球测量科学家数十年潜心研究和通力合作的结果——所有用于基本单位重新定义的“常数”都经过了精确测量与严格验证,从而保障了新单位的大小“不变”。
      从新定义的深层意义来看,国际单位制的变化无疑又是“巨大”的。
      首先,新定义用自然界恒定不变的“常数”替代了实物原器,保障了国际单位制的长期稳定性。以千克的现行定义为例,1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器(IPK)的质量。据国际计量局数据显示,国际千克原器服役近130年来,它的质量与各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准的一致性出现了约50微克的偏差,但国际千克原器的质量是否发生了变化,具体变化了多少至今仍是一个谜。用基本物理常数h重新定义千克后,质量单位将更加稳定,我们不必担心国际千克原器质量漂移可能给全球质量量值统一带来的问题。
      测量基础的长期稳定,对于人类面临的重大挑战,特别是环境与气候变化、地球运动监测等非常重要。我们必须有一个能在很长时间内保持稳定的参考标准,才能获得可靠的测量数据——而可靠的数据一直是科学研究和政府决策的根基。
      第二,“定义常数”不受时空和人为因素的限制,保障了国际单位制的客观通用性。物理定律是放之宇宙而皆准的,但测量却有不少的人为因素。最早的千克是用1个标准大气压下1立方分米纯水在4摄氏度时的质量定义的,这实际上受到了温度、气压、水和容器等环境因素和测量过程的限制。人们在19世纪末采用最先进的材料和工艺打造了国际千克原器,目的也是为了规避这些限制。但是,国际千克原器有且只有一个,无论它的质量是否发生漂移,各国计量院仍须以它为准,定期到位于法国的国际计量局校准自己的千克原器。新定义生效后,理论上任何地方的任何人,都可以根据定义复现1千克,而且,我们今天在北京复现的量值,和我们的子孙后代未来在火星上复现的量值将是一致的。
      国际单位制的客观通用性不仅意味着国际测量界多年的夙愿正在逐渐成为现实,更意味着全球量值统一有了更广阔而便捷的途径:芯片级的传感器将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的溯源,物联网各个终端采集的数据由此可以实现可比——无时无处不在的最佳测量,将推动计量管理模式的改革创新,释放计量量子化变革效能,有助于提高智能制造、物联网等新技术产业的质量水平,有利于实现公平贸易、安全医疗等,从而促进诚信建设,降低社会成本,保障和改善民生。
      第三,新定义可在任意范围复现,保障了国际单位制的全范围准确性。修订前的开尔文定义仅仅建立在水三相点一个固定点上,要测量比它更高或更低的温度,我们需要根据其他的固定点来延伸温标。而未来我们仅通过玻尔兹曼常数,就可以根据热力学温度与能量的关系,在整个温标范围实现同样准确的温度测量。千克也是这样。以前最准确的千克只有1千克一种,要对一个大于1千克的物体称重,我们需要将1千克进行重复累加;要对一个小于1千克的物体进行称重,则需要将1千克进行分割。累加和分割的过程都会给量值的准确性带来损失。新的定义则不受此限制。
      国际单位制的全范围准确性,为科学发现和技术创新提供了新的机遇。得益于更高的测量准确度,我们将可以测量极高、极低温度的微小变化,从而更加准确地监测核反应堆内、航天器表面的温度变化;在生物医药领域,我们可以准确测量单个细胞内某种物质的含量,并根据病人的实际需要,制定更加精确的药物剂量。
      第四,新定义不受复现方法限制,保障了国际单位制的未来适用性。在新的国际单位制中,测量的两个重要概念,即单位定义和测量(或复现)方法是分离的。换言之,1米有多长和用尺子量还是用激光测无关。新定义生效后,千克可以通过任何适当的方法复现,比如基布尔天平法和X射线晶体密度法——这两种方法是目前世界上测量准确度最高的复现方法,但即使未来有更好的实验方案出现,单位的定义也不会因此受到影响。
      更好的测量原理、测量方法和实验仪器意味着人们可以在国际单位制框架下实现更佳的测量——这将引发仪器仪表产业的颠覆性创新。集多参量、高准确度传感器为一体的综合测量,不受环境干扰无需送检的实时测量,众多物理量、化学量和生物量的极限测量等也成为了可能。
      总之,国际单位制的变革是科技进步的缩影,科技创新和质量发展的基础将由此变得更加牢固。就像1967年国际上用原子的特性修订了秒定义一样——尽管修订之初人们并不清楚它可以用在哪里,但现在,基于原子钟的计时技术已成为互联网、移动通信和卫星导航等技术的基础。新的国际单位制也是这样,它将在未来对科学、技术、贸易、健康、环境以及更多的领域产生深远的影响。
      中国计量院作为我国的国家计量院,始终紧跟国际计量科学前沿,在国际单位制基本单位复现新理论、新方法等方面持续开展研究。截至目前,中国计量院已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿伏伽德罗常数等物理常数测量以及量子基准研究和建立方面取得了系列突破。特别是中国计量院用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为基本单位开尔文的修订做出了重要贡献。中国计量院还独立建立了基于新定义的千克复现和传递装置,量子电阻和量子电压装置,可以适应国际单位制变革的需求,保障未来我国重要基本量值与国际等效一致。
      未来,中国计量院还将加强面向国家战略需求的计量基础前沿研究;加快建设一批适应量子化研究的高水平精密测量基础设施;加快构建以量子计量为基础的国家现代先进测量体系,为建设制造强国、质量强国,有效提升市场监管能力提供强有力的支撑和保障,更好地发挥计量对提升国家核心竞争力的作用。



文章转载至:中国市场监管微信公众号

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