日前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院召開(kāi)原子時(shí)誕生50周年學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)。中國(guó)質(zhì)量報(bào)記者也與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院院長(zhǎng)方向?qū)υ?，探討?guó)際單位制變革帶來(lái)的影響和應(yīng)對(duì)策略。

記者：此次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)的背景和目的是什么?

方向：50年前的1967年，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，采用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”，對(duì)國(guó)際單位制的“秒”進(jìn)行重新定義，這標(biāo)志著原子時(shí)的誕生。原子時(shí)誕生50年來(lái)，不僅時(shí)間頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度躍升1000萬(wàn)倍，成為目前測(cè)得最準(zhǔn)的物理量，直接支撐了衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展。更為重要的是，它打開(kāi)了國(guó)際單位制(SI)量子化的大門，標(biāo)志著計(jì)量從“實(shí)物到量子”時(shí)代的邁進(jìn)。同時(shí)還為傳統(tǒng)實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)受限于材料和工藝、最高基準(zhǔn)受限于時(shí)空、傳遞鏈過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致準(zhǔn)確度連續(xù)下降等問(wèn)題提供了全新的解決途徑。

我們知道，國(guó)際單位制是全球統(tǒng)一的計(jì)量單位制，是構(gòu)成國(guó)際計(jì)量體系的基石。2018年，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將審訂新的SI修訂案，將國(guó)際單位制的基本單位與宇宙中恒定不變的量或基本物理常數(shù)聯(lián)系起來(lái)，這必將催生國(guó)際單位制又一根本性的變革，也將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科技創(chuàng)新產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

因此，在紀(jì)念原子時(shí)誕生50周年之際，在面臨國(guó)際單位制從實(shí)物到量子的變革之時(shí)，此次會(huì)議應(yīng)運(yùn)而生，意義重大。

記者：現(xiàn)行的國(guó)際單位制面臨哪些問(wèn)題?為什么需要變革?

方向：國(guó)際單位制最早形成于19世紀(jì)，伴隨著科技發(fā)展，發(fā)生了多次重大變革，并帶動(dòng)了國(guó)際計(jì)量體系和國(guó)際測(cè)量技術(shù)規(guī)則的不斷完善。

過(guò)去，許多SI單位的定義都源自實(shí)物原器，比如砝碼、米尺等。國(guó)際千克原器是目前僅存的定義質(zhì)量單位“千克”的實(shí)物原器。實(shí)物原器可能會(huì)發(fā)生變化，被損傷或毀壞。目前，全世界各國(guó)的國(guó)家千克原器需要定期運(yùn)送到位于法國(guó)的國(guó)際千克原器保存地國(guó)際計(jì)量局，進(jìn)行質(zhì)量比對(duì)。運(yùn)送原器這一行為本身就會(huì)給各國(guó)的原器帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，國(guó)際千克原器本身的質(zhì)量就不穩(wěn)定，并且從1889年起它就可能開(kāi)始產(chǎn)生未知的變化。如果千克原器的質(zhì)量發(fā)生了某一量級(jí)的變化，那么這就會(huì)限制它所能夠達(dá)到的最高準(zhǔn)確度。對(duì)此，國(guó)際計(jì)量界一直在思考更好的解決方案。

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著量子力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際計(jì)量界決定對(duì)國(guó)際單位制基本單位予以重新定義，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(huì)受到空間和時(shí)間改變的影響，同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)得以大幅度提高，帶動(dòng)大部分量的測(cè)量準(zhǔn)確度得到提高。

記者：國(guó)際單位制變革將會(huì)給產(chǎn)業(yè)發(fā)展和百姓生活帶來(lái)哪些影響和變化呢?

方向：可以說(shuō)，國(guó)際單位制變革為“量值溯源扁平化”奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，計(jì)量技術(shù)體系將經(jīng)歷歷史性變革，世界測(cè)量技術(shù)規(guī)則將予重構(gòu)。

2018年，除摩爾和坎德拉之外的其他國(guó)際單位制基本單位將全部實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間頻率的溯源。例如，長(zhǎng)度單位“米”不再是傳統(tǒng)米尺，而定義為激光在真空中三億分之一秒所走距離，由此使長(zhǎng)度測(cè)量進(jìn)入了原子級(jí)別。正是基于時(shí)間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度更是達(dá)到了厘米級(jí)別，成就了數(shù)萬(wàn)億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)。

在高科技時(shí)代，長(zhǎng)度不止細(xì)分到納米，時(shí)間不止細(xì)分到飛秒。新國(guó)際單位制的技術(shù)開(kāi)放性對(duì)未來(lái)所有關(guān)于精度方面的技術(shù)進(jìn)步都極為有利。伴隨測(cè)量精度大幅提升，一大批革命性的新技術(shù)由此誕生，將帶來(lái)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。比如說(shuō)，精準(zhǔn)測(cè)量支撐納米技術(shù)和石墨烯的應(yīng)用、促進(jìn)先進(jìn)制造中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的精度提升、推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等等。

不過(guò)對(duì)于大多數(shù)普通民眾來(lái)說(shuō)，國(guó)際單位制變革前后，日常生活中的測(cè)量活動(dòng)沒(méi)有明顯差別，電子秤、加油泵、血壓計(jì)等該怎么用還怎么用;實(shí)驗(yàn)室中的全血細(xì)胞計(jì)數(shù)和工業(yè)大尺寸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，新定義也不會(huì)讓它們顯示不一樣的數(shù)值。因?yàn)?，?guó)際計(jì)量界對(duì)單位制修訂最重要的要求就是這一修訂過(guò)程要平緩過(guò)渡，不能對(duì)社會(huì)生活、對(duì)任何測(cè)量服務(wù)造成突變性的、明顯的影響。不過(guò)國(guó)際單位制變革對(duì)生活帶來(lái)的影響是潛移默化的，未來(lái)將會(huì)因?yàn)檫@一變革催生某種科技產(chǎn)業(yè)，對(duì)我們的生活帶來(lái)直接的變化。

記者：目前國(guó)際上主要的計(jì)量大國(guó)針對(duì)國(guó)際單位制變革有哪些應(yīng)對(duì)措施?

方向：目前，世界主要計(jì)量大國(guó)為應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制變革已提前進(jìn)行了布局，開(kāi)展了大量與國(guó)際單位制重新定義有關(guān)的基礎(chǔ)前沿研究，比如通過(guò)大量的研究工作完成新的量值復(fù)現(xiàn)方法研究，以及與傳統(tǒng)量值傳遞方法平穩(wěn)銜接的研究等等。

新的國(guó)際單位制變革從根本上改變了傳統(tǒng)的單極化的量值溯源理念。基于單位制新定義的原位復(fù)現(xiàn)方法和零鏈條溯源理念已經(jīng)由英國(guó)、美國(guó)提出，并積極推進(jìn)相應(yīng)的研究工作。傳統(tǒng)上，以專職復(fù)現(xiàn)、保存，并傳遞基本單位量值為核心工作的國(guó)家計(jì)量院，在國(guó)際單位制變革中需要逐漸增加適合現(xiàn)場(chǎng)需要、方便實(shí)用的量值復(fù)現(xiàn)方法研究，不同復(fù)現(xiàn)方法之間的差異、影響研究，以及如何協(xié)調(diào)不同方法復(fù)現(xiàn)結(jié)果的研究。傳統(tǒng)的以輸出準(zhǔn)確測(cè)量量值為產(chǎn)品的計(jì)量院，向社會(huì)提供的產(chǎn)品將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁?zhǔn)確測(cè)量的整體解決方案。國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)與社會(huì)需求的融合度將進(jìn)一步提高。

記者：請(qǐng)您介紹一下我國(guó)為應(yīng)對(duì)SI變革有哪些計(jì)劃和措施?中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在這方面做了哪些工作?

方向：我國(guó)計(jì)量界很早就意識(shí)到國(guó)際單位制變革的迫切性，及其可能帶來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。為應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制變革，近幾十年來(lái)，作為中國(guó)的國(guó)家計(jì)量院——中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院持續(xù)開(kāi)展與國(guó)際單位制有關(guān)的基礎(chǔ)前沿研究。2005年以來(lái)開(kāi)展了旨在應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制重新定義的部分基本物理常數(shù)精密測(cè)量的研究工作。其中，玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量用兩種不用的方法均取得了很好的測(cè)量結(jié)果，被國(guó)際基本常數(shù)委員會(huì)(CODATA)收錄，為該常數(shù)定值做出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。我們研制的國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)——NIM5銫原子噴泉鐘通過(guò)國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可參與駕馭國(guó)際原子時(shí)(TAI)。

在應(yīng)用方面，比如我們研制的兩米線紋比長(zhǎng)儀、高精度激光二坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置等系列以激光波長(zhǎng)米為基準(zhǔn)的幾何量基準(zhǔn)，對(duì)保證國(guó)家生產(chǎn)制造中幾何參量量值的準(zhǔn)確一致，建立起國(guó)家?guī)缀瘟坑?jì)量體系起到了重要作用。此外，面向坎德拉量子化的光子計(jì)量研究工作，也已形成了面向單光子探測(cè)和微弱光輻射計(jì)量較為全面的校準(zhǔn)測(cè)量能力。