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計量單位將迎來量子化時代？

發(fā)布日期：2015-11-17 瀏覽次數(shù) ：2876

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【導(dǎo)讀】人們?nèi)粘Ｋ玫?ldquo;米”“秒”“千克”等計量單位，將被重新定義。記者日前從計量院主辦的“展望2025——計量發(fā)展重大挑戰(zhàn)”研討會上了解到，當(dāng)前計量體系正在經(jīng)歷歷史性變革，單位制將以量子等自然界基本常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義。計量委員會正在起草關(guān)于重新修訂單位制的草案，且有望于2018年被計量大會采納。計量將向制造、醫(yī)學(xué)、新能源等新興產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域發(fā)展，帶來廣泛而深刻的影響。


 

　　量子基準(zhǔn)將取代實(shí)物基準(zhǔn)

據(jù)了解，單位制是統(tǒng)一的計量單位制，是構(gòu)成計量體系的基石。其核心是7個基本單位，即時間單位“秒”、長度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、熱力學(xué)溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。單位制早形成于19世紀(jì)，伴隨著科技發(fā)展，發(fā)生了多次重大變革。

計量院院長方向介紹，20世紀(jì)80年代開始，量子力學(xué)的發(fā)展催生了單位制又一次重大變革。計量界決定對單位制的7個基本單位重新定義，將其與中恒定不變的量或基本物理常數(shù)聯(lián)系起來，以量子物理為基礎(chǔ)的自然基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)，這樣就不會受到空間和時間改變的影響，測量準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)得以大幅度提高。

“此次變革的核心是‘計量單位量子化’和‘量值傳遞扁平化’。”方向解釋，所謂“計量單位量子化”，是指通過采用量子計量基準(zhǔn)，大幅提高測量精度和穩(wěn)定性;而“量值傳遞扁平化”則是指通過量子計量基準(zhǔn)與信息技術(shù)的結(jié)合，使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)。

“單位‘米’的基準(zhǔn)是實(shí)物米尺，各個都有一把作為基準(zhǔn)的米尺，而且需要溯源到計量局的米原器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定其準(zhǔn)確量值。然后通過實(shí)物傳遞到省一級、市一級、縣一級等一級級地進(jìn)行校準(zhǔn)。傳遞的過程越長，其精度的損失就越大。”方向說，現(xiàn)在通過激光的波長來定義“米”，因?yàn)榧す獾念l率和速度非常穩(wěn)定，只要準(zhǔn)確地測定某一種激光的頻率或速度，然后以此來計算一定時間里它走過的距離，就可以定義“米”了。

重新定義后的“米”為激光在真空中1/299792458秒(接近三億分之一秒)所走的距離，其準(zhǔn)確度比米原器大幅提高，而且其復(fù)現(xiàn)和傳遞可以不受時間和環(huán)境的影響，更能滿足我們不斷增長的測量需求。“現(xiàn)在的制造、制造、醫(yī)療等，對長度的測量需要到幾何級，直接用激光器來校準(zhǔn)，肯定比傳統(tǒng)方式要更。”方向說。

　　計量催生新技術(shù)

近年來，單位制重新定義的相關(guān)工作已取得了重要進(jìn)展，目前僅剩一個基本單位——千克，定義仍沿用實(shí)物基準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)用基本物理常數(shù)和量子技術(shù)重新定義“千克”，包括計量院在內(nèi)的許多計量院已經(jīng)開展了多年實(shí)驗(yàn)研究。

作為單位制的基礎(chǔ)、核心和關(guān)鍵，時間頻率基準(zhǔn)已率先完成量子化變革，其定義從“天文時”轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠幽芗壾S遷的“原子時”，測量精度立刻提升了1000萬倍以上。正是基于時間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度達(dá)到了厘米級別。時間定義的變革還快速催生長度、電學(xué)、溫度、質(zhì)量等單位的重新定義。如“米”就是建立在“秒”的量子化變革基礎(chǔ)上，定義為激光在真空中三億分之一秒所走距離，使長度測量進(jìn)入原子級別。

“伴隨測量精度大幅提升，一大批革命性的新技術(shù)由此誕生，帶來產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。如測量支撐了納米技術(shù)和石墨烯的應(yīng)用、提升了制造中航空發(fā)動機(jī)的精度、推動了醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、決定了核潛艇偵測和隱身技術(shù)的競爭成敗等。”方向介紹。

據(jù)計量委員會主席白瑞·英格利斯在研討會上介紹，計量委員會正在起草關(guān)于重新修訂單位制的草案，該草案有望于2018年被計量大會采納。當(dāng)天的研討會上，計量委員會以及美國、德國、等計量院的們還就單位制重新定義以及計量支撐“工業(yè)4.0”、智能電網(wǎng)和新能源等重要內(nèi)容進(jìn)行了探討。

不過，對于單位制重新定義后對日常生活帶來的影響，方向表示，“米”雖然還是那個“米”，內(nèi)涵卻有根本的改變，更加和持續(xù)改進(jìn)成了其新的特質(zhì)，但其細(xì)微的變化我們在日常生活中可能很難感受得到。這些變化對新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對人類認(rèn)識和改造自然有著不可估量的作用。