為什么要進(jìn)行國際單位制重新變革

    國際計(jì)量大會(CGPM)每4～6年舉行一次全部成員國派代表參加的大會。CGPM基于國際計(jì)量委員會(CIPM)的建議，接受、討論并認(rèn)可關(guān)于SI的新進(jìn)展。

    國際計(jì)量委員會(CIPM)由CGPM提名的來自擁有較高科技地位國家的18位委員組成，每年舉行會議，并對關(guān)于SI的行政和技術(shù)事務(wù)提出建議。由58個成員國和41個附屬成員國代表通過多個委員會共同努力，為實(shí)現(xiàn)共同利益確保測量的相互間可比和一致。

    位于法國的國際計(jì)量局(BIPM)是國際計(jì)量的中心，保存著國際千克原器。BIPM為CGPM的成員國提供計(jì)量服務(wù)，并為CIPM出謀劃策，為國家或區(qū)域性計(jì)量機(jī)構(gòu)提供協(xié)調(diào)服務(wù)，并為其組織正式會議。最初BIPM的主要計(jì)量任務(wù)是將各國的米和千克原器與定義SI的國際原器進(jìn)行定期比對和重新校準(zhǔn)，如今它的主要角色是全球計(jì)量體系的中 樞。

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為什么要進(jìn)行國際單位制重新變革

    現(xiàn)行的國際單位制下，許多測量都源自實(shí)物原器，比如米尺、砝碼等。國際千克原器(IPK)是目前僅存的定義質(zhì)量單位“千克”的實(shí)物原器。實(shí)物原器可能會發(fā)生變化，被損傷或毀壞。目前，全世界各國的國家千克原器需要定期運(yùn)送到位于法國的IPK保存地BIPM，對其進(jìn)行重量比對。運(yùn)送原器這一行為本身就會給各國的原器帶來風(fēng)險(xiǎn)。同時更重要的是IPK的質(zhì)量很不穩(wěn)定，并且從1889年起它就可能開始產(chǎn)生未知的變化，但它卻仍然保持著定義標(biāo)準(zhǔn)的地位。

    測量的兩個重要方面包括單位的定義(比如厘米)和用于測量的方法(比如用尺子)。如果將兩個概念分離，定義能夠保持穩(wěn)定，同時在不需要對體系進(jìn)行重大修訂的情況下也能實(shí)現(xiàn)更完善的復(fù)現(xiàn)過程。

    20世紀(jì)80年代開始，量子力學(xué)的發(fā)展催生了國際單位制又一次重大變革，國際計(jì)量界決定對國際單位制基本單位進(jìn)行重新定義。自2018年起對國際單位制基本單位將予重新定義。將國際單位制的7個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，以量子物理為基礎(chǔ)的自然基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)，這樣就不會受到空間和時間改變的影響，同時測量準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)得以大幅度提高，帶動大部分量的測量準(zhǔn)確度得到提高，進(jìn)而對科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展產(chǎn)生重大促進(jìn)。SI重新定義將成為未來創(chuàng)新的跳板。如長度單位，歷史上曾經(jīng)以一個國家君主的身體尺寸確定，不同君主差別很大；后來確定為地球子午線的四千萬分之一，制作的國際米原器保存在國際計(jì)量局，準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1微米，也就是千萬分之一米，大約相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的千分之一；現(xiàn)在米定義為光在真空中1/299792458秒(接近三億分之一秒)所走的距離，并建立了自然基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度比國際米原器又提高了幾千倍。

    

國際計(jì)量變革意義重大

    2018年，國際計(jì)量單位制將重新定義，計(jì)量技術(shù)體系也將經(jīng)歷歷史性變革，世界測量技術(shù)規(guī)則將予重構(gòu)，國際計(jì)量變革的意義重大。由此帶來的影響廣泛而深刻。

    作為國際計(jì)量單位制的基礎(chǔ)、核心和關(guān)鍵，時間頻率基準(zhǔn)已率先完成量子化變革，其定義從“天文時”轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠幽芗壾S遷的“原子時”，測量準(zhǔn)確度迅速提升了1000萬倍以上。正是基于時間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其準(zhǔn)確度更是達(dá)到了厘米級別，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。時間定義的變革還將快速催生長度、電學(xué)、溫度、質(zhì)量等單位的重新定義。例如，長度單位“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，由此使長度測量進(jìn)入了原子級別。伴隨測量準(zhǔn)確度大幅提升，一大批革命性的新技術(shù)由此誕生，帶來產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。如精準(zhǔn)測量支撐了納米技術(shù)和石墨烯的應(yīng)用、提升了先進(jìn)制造中航空發(fā)動機(jī)的準(zhǔn)確度、推動了精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、決定了核潛艇偵測和隱身技術(shù)的競爭成敗等。

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我國在國際計(jì)量重大變革中的應(yīng)對

    開展與國際單位制有關(guān)的基礎(chǔ)前沿研究一直是我國的國家計(jì)量院??中國計(jì)量科學(xué)研究院科研工作的一個重點(diǎn)。該院從20世紀(jì)80年代起陸續(xù)啟動了電學(xué)量子基準(zhǔn)、銫原子噴泉鐘、光鐘等的研究；2005年以來開展旨在應(yīng)對SI重新定義的部分基本物理常數(shù)精密測量的研究工作。目前已在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大創(chuàng)新和突破，為我國實(shí)質(zhì)性參與國際基本單位的重新定義做出了重大貢獻(xiàn)。如在時間領(lǐng)域，目前我國的國家秒長基準(zhǔn)裝置是中國計(jì)量科學(xué)研究院研制的NIM5銫噴泉鐘，其準(zhǔn)確度相當(dāng)于2000萬年不差1秒；該院正在研制NIM6，預(yù)計(jì)2018年完成，屆時準(zhǔn)確度也會達(dá)到6000萬年不差一秒。基于新的原理的光鐘比銫原子鐘具有更好的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度潛力，2015年9月，中國計(jì)量院研制的鍶原子光晶格鐘準(zhǔn)確度相當(dāng)于1.38億年不差一秒。

    目前玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)的最新測量結(jié)果已被CODATA所采用。在溫度領(lǐng)域的波爾茲曼常數(shù)測量方面，目前國際上只有中國計(jì)量科學(xué)研究院和美國NIST能夠做到同時采用兩種不同方法獲得高水平的玻爾茲曼常數(shù)測量結(jié)果并相互印證，為溫度單位“開爾文”重新定義作出了中國貢獻(xiàn)。