國際(jì)單位製(zhì)重大變革(gé)?助推計量邁入量子化新時代
國(guó)際單位製重大變革新聞發布會(huì)召開(kāi)
2018年12月(yuè)11日,國家市場監管總局在京召開(kāi)國際單位製重大變革新(xīn)聞發布會(huì)。總局計量司司(sī)長謝軍在發布會上透露,2019年5月20日(rì)中國將開始使用新修訂(dìng)後的國際單位製,為抓住此次變革帶來的曆史性機遇,我國(guó)將強化計量量子化戰略研(yán)究,並製定(dìng)量子化時代的(de)中國計量發展新規劃(2020年-2035年)。中國計量科學研究院院長方向、國家市場監管總局新聞宣傳司二級巡視員李靜參加了發布會。
據謝軍司長介紹(shào),2018年11月16日,第26屆國際計量(liàng)大(dà)會(CGPM)在法國巴黎召開,這是被科學界和世界媒體同行譽為翻開人類科技發展新篇章,具有跨時代、裏程碑意義的一次科技盛(shèng)會。在這次會議上(shàng),經包括中國在內的53個成員國集體表決,全票通(tōng)過了關於“修(xiū)訂國際單位製(zhì)(SI)”的1號決議(yì)。根(gēn)據決議,質量單位“千克”、電(diàn)流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質的量單位“摩爾”等4個SI基本單位的定義將由常數定義,於2019年的世界計(jì)量日——5月20日正式生效(xiào)。加之此前對時(shí)間單位“秒”、長度單位“米”和(hé)發光強度單位“坎德拉”的重新定義,至此,國際計量單位製的7個基本單位全部實現由常數(shù)定義。這(zhè)是改(gǎi)變國(guó)際(jì)單位製采(cǎi)用實物計量的曆史性(xìng)變革,是人類科學發展進步(bù)中的(de)一座裏程碑。
作(zuò)為國際通用測(cè)量語言的SI國際單位製,幾乎是世界上所有國家的法定單位製。這次國際單位製(zhì)的成(chéng)功變革,實(shí)現了國(guó)際測量體(tǐ)係有史以來第一次(cì)全部建立在定義常數之上,將保證SI長期穩定性和環宇通用性,也將開啟任意時刻、任意地點、任意主體根據定義複現單位量值的大門(mén)。
謝軍司長表示,此次變革從表麵(miàn)來看,大家可能感覺不到發生的變化,就如同我(wǒ)們給房子換了一個更(gèng)加堅固(gù)的地基,並不太會直接影響我們的生活起居,但它實際上已經發生(shēng)了“脫胎換骨”的變化。這次(cì)SI重新定義生效後,對於大(dà)多數科研人員以及產業發展、人們日常生產生活來說,不會直接造成(chéng)大的改變,原有的測量(liàng)結(jié)果仍將是連續的、穩定的。但從專業角度觀察,SI的重新(xīn)定義,將改變國際(jì)計量體係(xì)和現(xiàn)有計量格局。
一是重新定義將(jiāng)實現量值(zhí)傳遞溯源鏈路扁平化, 使量(liàng)值溯源鏈條更短、速度更(gèng)快、測量結果更準更(gèng)穩。第1號決議實施(shī)後,將可(kě)通過(guò)嵌入芯片級量子計量基準,把最高測量精度直接賦予製造設備並保持長期穩定,從而實現對產品製造全過程的(de)更準確(què)穩定地感知和最(zuì)佳控(kòng)製(zhì),有力支撐流程再造、節(jiē)能(néng)減排和(hé)質量提升等。這將為當(dāng)前世(shì)界範圍內正在進行的新一輪以信息技術、大數據和人工智能為(wéi)特征的科(kē)技(jì)革命,插上飛翔的(de)“翅膀”。
二是重新定義(yì)將催生新的(de)測量原理、測量方法和(hé)測量儀器。集多參量、高(gāo)精度(dù)為(wéi)一體的芯片級(jí)綜合測量,不受環境幹擾、無需校準的(de)實時測量,眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等將(jiāng)成為可能,測量儀器儀表形態將全麵創新。這將為我國實(shí)施“科技強國”戰略,走向工業製造強國,帶來重要機遇,也將迎來重(chóng)大挑戰。
三是重新定義和量子測量技術發展(zhǎn)將使得計量基準可隨時隨地複現。通俗地說(shuō),就是我們在(zài)生產生活中都將能夠直接應(yīng)用最準的“標尺(chǐ)”。無處不在的精準(zhǔn)測量,將(jiāng)直接促進市場公平交易、實現精準醫療、改善環保節能等,將(jiāng)進一步促進社會誠信建(jiàn)設(shè)、降低(dī)社會(huì)管理成本,將惠及人類生產生活的方方麵麵,實現社會的全麵進(jìn)步。
謝軍司長介紹,我國目前獲得國際互認的校(xiào)準和測量能力已躍居全球第三、亞洲第一。我國自主可控的國家時間基(jī)準、長度量子基準都躋身世界先進行列。在這次國際計量單(dān)位製重大變革中,作為國(guó)家計(jì)量院的中國計量科學研究院為SI溫(wēn)度基本單位開爾文的修(xiū)訂作出(chū)了重要貢獻。我國已獨立建立了基(jī)於新定義的千克複現裝置,並成功研製了真(zhēn)空質量測量和質量標準傳遞(dì)裝置,可(kě)以保障未來我國質量量值與國(guó)際(jì)等效一致。
謝軍司長表示,市場監管總局將繼續推行以國際單位製為基礎的國家法定計(jì)量單位,履行法定職(zhí)責,並將以此次國際單(dān)位製變革為契機,開啟中國計量的量子化新進程。
中國(guó)計量科學研究院院長方向從技術和(hé)應用層麵出發,介紹了此次國際單位製變革的主要(yào)內容,並(bìng)就新國際單位製的特點(diǎn)和(hé)意義,以及它將(jiāng)對人們日常生活乃至國家經濟社會發展帶來的影響進行了(le)技術解讀。他認為這次國際單位製的“基石”完全建立在“常(cháng)數”上,使(shǐ)得全球測(cè)量體係發(fā)生了革命性變革(gé)。
方向院長指出,新定義用自然界恒定不變的“常數”替代了實物原器,保障了(le)國際單(dān)位製的長期穩定性;“定義常數”不受時空和人為因素的(de)限製,保障了國際單位製的客觀通用性(xìng);新定義(yì)可在任意範圍複(fù)現,保障了國際單位製的全範圍準確性;新定義不受複現方法(fǎ)限製,保障了(le)國際單位製的未來適用性。
謝軍司長透露,我國將努力抓住和用好變革帶來的曆史性機遇,從國家戰略的高度出發,統籌規劃、整體布局(jú),加強(qiáng)麵向國家戰略需求的計量基礎研究(jiū)、前(qián)沿性研究,加速(sù)推進國家計量基標準質量提升工程,研製以量子傳感為基礎的量子計量標準,重塑量傳溯源體係(xì),改革計量管理模(mó)式。加快構建國家現代先進測量體係(xì),持續推進《“一帶一路”計量合作願景與行動》,深入貫徹落實質量強國戰略、製(zhì)造強國戰略等黨中央和國務院的重大決策(cè)部署,提升(shēng)國家核心競爭力(lì),充分發揮計量的國家戰略資源作用。
發布會上,謝軍司長和方向院長還就媒體關注的問題進行了解(jiě)答。
延 伸:
★ 國際單(dān)位製變革改變了什麽?
(一)基礎變了。以千克(kè)的現行定義為例,1千克精確等於國際計量局(jú)保存的國際千克原(yuán)器(IPK)的質量。據國際計量局(jú)數據顯示,國際千克原器服役近130年來,它的質量與各國保存的質量基準、國際計量局官方作證基準(zhǔn)的一致性出現了約50微(wēi)克的偏差,但國際千克原器的質量是否發(fā)生了變化,具體變化了多少至今仍是一個謎。用基本物理常數(shù)h重新定義千克後,質量單位將更加穩定,我們不必擔心國際千克原器質量漂移可能給全球質量量值統一帶來的(de)問題。
測量基礎的長期穩定,對於人類麵臨的重大挑戰,特別是環境與氣候變化、地球運動監測等非常重要。我們必須有一個能在很(hěn)長時(shí)間內保持穩定的參考標準,才能獲得可靠的測量數據——而可(kě)靠的數據一直是科(kē)學研究和政府決策的根基。
(二)時空變(biàn)了。物理定(dìng)律是放(fàng)之宇宙而皆準的,但測量卻有(yǒu)不(bú)少的人為因素(sù)。最早的千克(kè)是用1個標準大氣壓下(xià)1立方分米純水在4攝氏度時的質量定義的(de),這實際(jì)上受到了溫度、氣壓(yā)、水和容(róng)器等環境因素和測量(liàng)過程的限製。人們在19世紀末采(cǎi)用最先進的材料(liào)和工藝打造了國際(jì)千克(kè)原器,目的(de)也是為了規避這些限製。但是,國際千克(kè)原(yuán)器有且隻有一個,無論(lùn)它的質量是否發(fā)生漂移,各國計量院仍須以它為準,定期到(dào)位於法國的國際計量局校準自己的千(qiān)克原器。新定義(yì)生效後,理論上任何地方的任何人,都可以根據定義複現1千克。而且,我們今天在北京複現(xiàn)的量值,和我們的子孫後(hòu)代未來在火星上複現的量值將是一致的。
國際單位製(zhì)的客觀通用性不僅(jǐn)意味著國際測量界(jiè)多年的夙願正在逐漸(jiàn)成為現實,更意味著全(quán)球量值統一有了更廣闊(kuò)而便捷的途徑:芯片級(jí)的傳感器將可以在工業產品流水線上實現對(duì)國際單位製的溯源,物(wù)聯網各個終(zhōng)端采集的數據由此可以實現可(kě)比——無時無處不在的最佳測量,將(jiāng)推動計量管理模式的改革創新,釋放計量量子化變革效能,有助於提高智能製造、物聯網等新技術(shù)產業的質量水平,有利於實現公平貿易、安全醫療等,從而促進誠(chéng)信建設,降低社會成本,保障和改善民生。
(三)範圍變了。修訂前的開爾文定義僅僅建立在(zài)水三相點一個固定點上,要測量比它更高(gāo)或更低的溫度,我們需要根據其(qí)他的固定點(diǎn)來延伸溫標。而(ér)未來我們僅通過玻爾茲(zī)曼常數,就可以根據熱力(lì)學溫度與能量的關係,在整個溫標範圍實現同樣準確的(de)溫度測量。千克也是這樣。以前(qián)最準確的千克(kè)隻有1千克一種(zhǒng),要對一個大於1千克的物體稱重,我們需要將1千克進行重複累加;要對一個小(xiǎo)於1千克的物體進行稱重,則需(xū)要將1千克進行(háng)分割。累加和分割的過程都會(huì)給量值的準確性帶來損失。新的定義則不受此限(xiàn)製。
國際單位製的全範圍準確性,為科(kē)學發現和技術創新提供(gòng)了新的機遇(yù)。得益於更高的測量準確度,我們將可以(yǐ)測(cè)量極高、極低溫度的微小變化,從而更加準確地監測核反應堆內、航天器表麵的溫度變化;在生物醫藥(yào)領域,我們可以準確測(cè)量(liàng)單個細胞內某種物質(zhì)的含量,並根據病人的(de)實際需要,製定更加精確的藥物(wù)劑量。
(四)方法變了。在新的(de)國際單位製中,測量的兩個重要(yào)概念(niàn),即單位定義和測量(或複現)方法是分離的。在舊(jiù)定義中,單位的定義和實現方法(fǎ)是完全綁定的,例如,要複現1/273.16K,就必須在水三相(xiàng)共存的條件(jiàn)下;要複(fù)現1千克,就必須與位於法國(guó)的國(guó)際千克原器相聯係。新(xīn)定義生效後,千克可以通過任何適當(dāng)的方(fāng)法複現(xiàn),比如基布爾天(tiān)平法和X射線晶體密度法——這兩種方法是目前世(shì)界(jiè)上測量準確度最高的複現方法,但即使未來有更好的實驗方案出現,單位的定(dìng)義也不會因此受到影響。而複現開爾文,現在已經有多達5種方(fāng)法,你擅長哪種就可以用哪種。
更好的(de)測量原理、測量方法和實驗儀器,意味著人們可(kě)以在國際單位製框架下實現更佳的測(cè)量——這(zhè)將引發(fā)儀器儀表產業的顛覆性創新。集多參量、高準確度傳感器為一體的綜合測量,不受環境幹擾無需送檢的實時測量,眾多物理量、化學量和(hé)生物量的極限測量(liàng)等也成了可能。
★ 什麽不變?
對大多數人(rén)來說,國際單位(wèi)製是(shì)“不變”的(de)。除(chú)電學單位外,新定義下各個單位大小和舊定義幾乎完全一致(zhì)。事實上,電學單位的改變也(yě)微乎其微,電壓單位的變化約為正千萬分之一,電阻單位的變化則更(gèng)小(xiǎo)。但這隻會影響對測量不(bú)確定度要求最高的頂尖計(jì)量機構和(hé)校準實驗(yàn)室,對於普通用戶、產業界人士和多數科研人(rén)員來說(shuō),新定(dìng)義不會對他(tā)們造成影響,他們的測量結果(guǒ)仍將是連續的。這看上去似乎理所當(dāng)然,但實際上卻是全球測量科學家數十年潛心研究(jiū)和通力(lì)合作的結果——所(suǒ)有用於基本單位重新定義的“常數”都經過了精確測量與嚴格驗證,從而(ér)保障了新單位的大小“不變”。
對於普通用戶(hù)、產業界人士和多數科研人員來說,新定義不會對他們(men)造成影響,他們的測量結果仍將是連續的(de)。這看上去似乎理所(suǒ)當然,但實際上卻是(shì)全球測量科學家數十年潛心研究和通力合作的結果——所有用於基本單位重新定義的“常數”都經過了精確測量與嚴格驗證,從而保障了新單位的大小“不變”。
★ 變革帶來的影響
這次以(yǐ)物(wù)理(lǐ)常數為基礎,對(duì)國際計量單位製重新定義,意味著所有SI單位(wèi)將(jiāng)由描述客觀(guān)世界(jiè)的常(cháng)數定義(yì)。重新定義開啟了任意時(shí)刻、任意地點、任意主體根據定義實現(xiàn)單(dān)位量值的大門,對經濟(jì)、科技與民生等都將產生深刻影響。
一是將(jiāng)改變國際計量體係(xì)和現有格局。重新定義使得計量基標準與信息技術相結合,實現量值傳(chuán)遞的(de)鏈路不唯一和扁平化,使量值溯源鏈條更短、速(sù)度更快、測量結果更準更穩,將徹底改變過去依靠實物基準逐級傳遞的計量模式,解(jiě)決了費時費力、效率低下、誤差放大等問題(tí)。
二是將顯著提升國家計量管理效能。新的國際(jì)計量單位製和量子測量技(jì)術的發展,將使得計量基準可隨時隨(suí)地複現,將最準(zhǔn)“標尺”直接(jiē)應(yīng)用於生產生活,大幅縮短(duǎn)量(liàng)值傳遞鏈。
三是將有(yǒu)力支撐新一輪工業革命。通過量子計量基(jī)準與信息技術的結合,使(shǐ)量值傳遞鏈條更短、速度更快、測(cè)量(liàng)結果更準更穩,深度契(qì)合了以信息物理係統為基礎、智能製造為(wéi)主要(yào)特征的新一輪工(gōng)業革命。通過嵌入芯片級量子計量基準,把最高測量精度直接賦(fù)予製造設(shè)備並保持長期穩定,可以實現對產品(pǐn)製造過(guò)程的準確感知和最佳控製。
四是將引發儀器儀表產業的顛覆(fù)性創新發展。國際計量(liàng)單位製實現量子化,新的測量原理、測量方法和測量儀器應運而生,集多參量、高精(jīng)度為一體的芯片級(jí)綜合測量,不受環境幹擾、無需校準的實時(shí)測量,眾(zhòng)多物理量、化學量和生物量的極限測量等均成為可能,進而(ér)催生測量儀器儀表形態的全麵創(chuàng)新。