計量檢測單位將迎來量子化時代
2019-06-17 16:51:15
人們日常所用的“米”“秒”“千克”等計量檢測單位，將被重新定義。記者日前從中國計量院主辦的“展望2025——國際計量發展重大挑戰”國際研討會上了解到，當前國際計量體系正在經歷歷史性變革，國際單位制將以量子等自然界基本常數為基礎重新定義。國際計量委員會正在起草關于重新修訂國際單位制的草案，且有望于2018年被國際計量大會采納。計量將向先進制造、醫學、新能源等新興產業和領域發展，帶來廣泛而深刻的影響。
量子基準將取代實物基準
據了解，國際單位制是全球統一的計量單位制，是構成國際計量體系的基石。其核心是7個基本單位，即時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、熱力學溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發光強度單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。國際單位制最早形成于19世紀，伴隨著科技發展，發生了多次重大變革。
中國計量院院長方向介紹，20世紀80年代開始，量子力學的發展催生了國際單位制又一次重大變革。國際計量界決定對國際單位制的7個基本單位重新定義，將其與宇宙中恒定不變的量或基本物理常數聯系起來，以量子物理為基礎的自然基準取代實物基準，這樣就不會受到空間和時間改變的影響，測量準確度等技術指標得以大幅度提高。
“此次變革的核心是‘計量單位量子化’和‘量值傳遞扁平化’?！狈较蚪忉?，所謂“計量單位量子化”，是指通過全面采用量子計量基準，大幅提高測量精度和穩定性；而“量值傳遞扁平化”則是指通過量子計量基準與信息技術的結合，使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩。
“單位‘米’的基準是實物米尺，各個國家都有一把作為基準的米尺，而且需要溯源到國際計量局的國際米原器進行校準，以確定其準確量值。然后通過實物傳遞到省一級、市一級、縣一級等一級級地進行校準。傳遞的過程越長，其精度的損失就越大?！狈较蛘f，現在通過激光的波長來定義“米”，因為激光的頻率和速度非常穩定，只要準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，其準確度比國際米原器大幅提高，而且其復現和傳遞可以不受時間和環境的影響，更能滿足我們不斷增長的測量需求?！艾F在的先進制造、精密制造、精準醫療等，對長度的測量需要精確到幾何級，直接用激光器來校準，肯定比傳統方式要更精確?！狈较蛘f。
精準計量催生新技術
近年來，國際單位制重新定義的相關工作已取得了重要進展，目前僅剩一個基本單位——千克，定義仍沿用實物基準。為實現用基本物理常數和量子技術重新定義“千克”，包括中國計量院在內的許多國家計量院已經開展了多年實驗研究。
作為國際單位制的基礎、核心和關鍵，時間頻率基準已率先完成量子化變革，其定義從“天文時”轉變為基于原子能級躍遷的“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，實現了衛星導航定位，其精度達到了厘米級別。時間定義的變革還快速催生長度、電學、溫度、質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由此誕生，帶來產業的跨越式發展。如精準測量支撐了納米技術和石墨烯的應用、提升了先進制造中航空發動機的精度、推動了精準醫療產業的發展、決定了核潛艇偵測和隱身技術的競爭成敗等?！狈较蚪榻B。
據國際計量委員會主席白瑞·英格利斯在研討會上介紹，國際計量委員會正在起草關于重新修訂國際單位制的草案，該草案有望于2018年被國際計量大會采納。當天的研討會上，國際計量委員會以及美國、德國、中國等國家計量院的專家們還就國際單位制重新定義以及計量支撐“工業4.0”、智能電網和新能源等重要內容進行了探討。
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”，內涵卻有根本的改變，持續改進成了其新的特質，但其細微的變化我們在日常生活中可能很難感受得到。這些變化對新興產業的發展，對人類認識和改造自然有著不可估量的作用。
