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计量单位将迎来量子化时代

    人们日常所用的“米”“秒”“千克”等计量单位,将被重新定义。记者日前从中国计量院主办的“展望2025——国际计量发展重大挑战”国际研讨会上了解到,当前国际计量体系正在经历历史性变革,国际单位制将以量子等自然界基本常数为基础重新定义。国际计量委员会正在起草关于重新修订国际单位制的草案,且有望于2018年被国际计量大会采纳。计量将向先进制造、医学、新能源等新兴产业和领域发展,带来广泛而深刻的影响。

量子基准将取代实物基准

    据了解,国际单位制是全球统一的计量单位制,是构成国际计量体系的基石。其核心是7个基本单位,即时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。国际单位制*早形成于19世纪,伴随着科技发展,发生了多次重大变革。

    中国计量院院长方向介绍,20世纪80年代开始,量子力学的发展催生了国际单位制又一次重大变革。国际计量界决定对国际单位制的7个基本单位重新定义,将其与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来,以量子物理为基础的自然基准取代实物基准,这样就不会受到空间和时间改变的影响,测量准确度等技术指标得以大幅度提高。

    “此次变革的核心是‘计量单位量子化’和‘量值传递扁平化’。”方向解释,所谓“计量单位量子化”,是指通过**采用量子计量基准,大幅提高测量精度和稳定性;而“量值传递扁平化”则是指通过量子计量基准与信息技术的结合,使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳。

    “单位‘米’的基准是实物米尺,各个国家都有一把作为基准的米尺,而且需要溯源到国际计量局的国际米原器进行校准,以确定其准确量值。然后通过实物传递到省上等、市上等、县上等等上等级地进行校准。传递的过程越长,其精度的损失就越大。”方向说,现在通过激光的波长来定义“米”,因为激光的频率和速度非常稳定,只要准确地测定某一种激光的频率或速度,然后以此来计算一定时间里它走过的距离,就可以定义“米”了。

    重新定义后的“米”为激光在真空中1/299792458秒(接近三亿分之一秒)所走的距离,其准确度比国际米原器大幅提高,而且其复现和传递可以不受时间和环境的影响,更能满足我们不断增长的测量需求。“现在的先进制造、精密制造、精准医疗等,对长度的测量需要**到几何级,直接用激光器来校准,肯定比传统方式要更**。”方向说。

精准计量催生新技术

    近年来,国际单位制重新定义的相关工作已取得了重要进展,目前仅剩一个基本单位——千克,定义仍沿用实物基准。为实现用基本物理常数和量子技术重新定义“千克”,包括中国计量院在内的许多国家计量院已经开展了多年实验研究。

    作为国际单位制的基础、核心和关键,时间频率基准已率先完成量子化变革,其定义从“天文时”转变为基于原子能级跃迁的“原子时”,测量精度立刻提升了1000万倍以上。正是基于时间定义的量子化变革,实现了卫星导航定位,其精度达到了厘米级别。时间定义的变革还快速催生长度、电学、温度、质量等单位的重新定义。如“米”就是建立在“秒”的量子化变革基础上,定义为激光在真空中三亿分之一秒所走距离,使长度测量进入原子级别。

    “伴随测量精度大幅提升,一大批**性的新技术由此诞生,带来产业的跨越式发展。如精准测量支撑了纳米技术和石墨烯的应用、提升了先进制造中航空发动机的精度、推动了精准医疗产业的发展、决定了核潜艇侦测和隐身技术的竞争成败等。”方向介绍。

    据国际计量委员会主席白瑞·英格利斯在研讨会上介绍,国际计量委员会正在起草关于重新修订国际单位制的草案,该草案有望于2018年被国际计量大会采纳。当天的研讨会上,国际计量委员会以及美国、德国、中国等国家计量院的专家们还就国际单位制重新定义以及计量支撑“工业4.0”、智能电网和新能源等重要内容进行了探讨。

    不过,对于单位制重新定义后对日常生活带来的影响,方向表示,“米”虽然还是那个“米”,内涵却有根本的改变,更加精准和持续改进成了其新的特质,但其细微的变化我们在日常生活中可能很难感受得到。这些变化对新兴产业的发展,对人类认识和改造自然有着不可估量的作用。

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