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計量單位(wèi)將迎來(lái)量子化時代

發(fā)布時間:2015-11-19 作者: 來源:中國計量(liàng)科學研(yán)究院 瀏覽:1882

    人們日常所用的“米”“秒”“千克”等(děng)計量單位,將被重新定義。記(jì)者日前從中(zhōng)國計量院主辦的“展望2025??國際計量發展重大挑戰”國際研(yán)討會上了解到,當前國際計量體係(xì)正在經曆曆史性變革,國際單位(wèi)製將以量子(zǐ)等自然界基(jī)本常數為基礎重新(xīn)定義(yì)。國際計量委員會正在起草(cǎo)關於重(chóng)新修訂國際單位製(zhì)的草案,且有望於(yú)2018年被國際計量大會采納。計量(liàng)將向先進製造、醫學、新能源等新興產業和(hé)領(lǐng)域發展,帶來廣泛而深刻的影響。


量子基準(zhǔn)將取代實物基準


    據了(le)解,國際單位製是全球統一(yī)的計量單位製,是構成國際計量體係的基石。其(qí)核心是7個基(jī)本單位,即時間(jiān)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(péi)”、發光(guāng)強(qiáng)度(dù)單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。國際單(dān)位(wèi)製最早形成於19世紀,伴隨著科技發展,發生(shēng)了(le)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(liàng)子力學的發展催生了國際單位(wèi)製(zhì)又一次重大變革。國際計量界決(jué)定對國際單位製的7個基本單位重新定義,將其與宇(yǔ)宙中恒定不變(biàn)的量(liàng)或基本物理常數聯係起來,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(biàn)的影響,測量準確度等技術(shù)指標得以大幅度提(tí)高。
    “此次變革的核心是‘計量單位量子化’和‘量值傳遞扁平化(huà)’。”方向解釋,所謂“計量單位量子(zǐ)化”,是指通過全麵采用量子計量基(jī)準,大幅(fú)提高測量精度和穩定性;而“量(liàng)值傳遞扁平化”則是指通過量(liàng)子計量基準與信息技術的結合,使量(liàng)值傳遞鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩(wěn)。
    “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(sù)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。然後通過實物傳遞(dì)到省一(yī)級、市一級、縣一級等一級級地進行校準。傳遞的過(guò)程越長(zhǎng),其精度(dù)的損失就越大。”方向說,現在通過激光(guāng)的波長來定義“米”,因(yīn)為激光的頻率和速度(dù)非常穩定,隻要準確地測定某(mǒu)一種激光的(de)頻率或速度,然後(hòu)以此來計算一定時間裏它走過的距離,就可以定義“米”了。
    重新定義後的“米”為激(jī)光在真空中(zhōng)1/299792458秒(接近三億(yì)分之一(yī)秒(miǎo))所走的距離,其準確度比國際米原器大幅提高,而且其複現(xiàn)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。“現在的(de)先進製造、精(jīng)密製造、精準醫療(liáo)等,對長(zhǎng)度的測量需(xū)要精確到幾何級(jí),直接用激光器來校準,肯定比傳統方式要更(gèng)精確。”方向(xiàng)說。


精準計量催生新技術


    近年來,國際單位製重新定(dìng)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(yì)仍沿用實物基(jī)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(jì)量院(yuàn)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(wèi)製的基礎、核心和關鍵,時間(jiān)頻率基準已率先完成量子(zǐ)化變革,其定義從“天文(wén)時”轉變為基於原子能級躍遷的“原子時”,測量精(jīng)度(dù)立刻提(tí)升了1000萬倍以上(shàng)。正是基於時間定(dìng)義的量子化變革(gé),實現了衛星導航定位,其精度達到了厘米級別。時間定義(yì)的(de)變革還快速催生長度、電學、溫度、質量等(děng)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(jìn)入原子級別。
    “伴隨測(cè)量精度大幅提(tí)升,一大批革命性的新技術由此誕生,帶來(lái)產業的跨越式發展。如精準測量(liàng)支撐了納米技術和石墨烯的應用、提升了先進製造中航空發動機的精度、推動了精準(zhǔn)醫療產業的發(fā)展、決定了核潛艇偵測(cè)和隱身(shēn)技術的競爭成敗等。”方向介紹。
    據國際計量委員會主席白瑞?英格利斯(sī)在研討會上介(jiè)紹(shào),國際計量委員會正在起草關於(yú)重新(xīn)修訂國際單位製(zhì)的草案,該草案(àn)有望於2018年被國際計量(liàng)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(de)專家們(men)還就國際單位製重新定義(yì)以及計量支撐“工業4.0”、智能電網(wǎng)和新(xīn)能源等重要內容進行了(le)探討。
    不過,對於單位製重(chóng)新定義後對(duì)日常生活帶(dài)來的(de)影響,方向表示,“米”雖然還(hái)是(shì)那個“米”,內涵(hán)卻有根本(běn)的改變,更加精準和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(chǎn)業(yè)的發展,對人類認識和改造自然有著不可(kě)估量的作用。

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