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計量檢測單位將迎來量子化時代

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人們日常所用的“米”;“,秒”“千克”等計量檢測單位,將被重新定義。記者日前從中國計量院主辦的“展望2025——國際計量發展重大挑戰”國際研討會上了解到,當前國際計量體系正在經歷歷史性變革,國際單位制將以量子等自然界基本常數為基礎重新定義。國際計量委員會正在起草關于重新修訂國際單位制的草案,且有望于2018年被國際計量大會采納。計量將向先進制造、醫學、新能源等新興產業和領域發展,帶來廣泛而深刻的影響。

量子基準將取代實物基準

據了解,國際單位制是全球統一的計量單位制,是構成國際計量體系的基石。其核心是7個基本單位,即時間單位“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”、發光強度單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。國際單位制最早形成于19世紀,伴隨著科技發展,發生了多次重大變革。

中國計量院院長方向介紹,20世紀80年代開始,量子力學的發展催生了國際單位制又一次重大變革。國際計量界決定對國際單位制的7個基本單位重新定義,將其與宇宙中恒定不變的量或基本物理常數聯系起來,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的影響,測量準確度等技術指標得以大幅度提高。

“此次變革的核心是”計量單位量子化“和”量值傳遞扁平化”。計量校準“向解釋,所謂“計量單位量子化”,是指通過全面采用量子計量基準,大幅提高測量精度和穩定性;而“量值傳遞扁平化”則是指通過量子計量基準與信息技術的結合,使量值傳遞鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩。

“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。然后通過實物傳遞到省一級、市一級、縣一級等一級級地進行校準。傳遞的過程越長,其精度的損失就越大?!胺较蛘f,現在通過激光的波長來定義“米”,因為激光的頻率和速度非常穩定,只要準確地測定某一種激光的頻率或速度,然后以此來計算一定時間里它走過的距離,就可以定義“米”了。

重新定義后的“米”;為激光在真空中1/299792458秒(接近三億分之一秒)所走的距離,其準確度比國際米原器大幅提高,而且其復現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?!艾F在的先進制造、精密制造、精準醫療等,對長度的測量需要精確到幾何級,直接用激光器來校準,肯定比傳統方式要更精確?!狈较蛘f。

精準計量催生新技術

近年來,國際單位制重新定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,定義仍沿用實物基準。為實現用基本物理常數和量子技術重新定義“千克”,包括中國計量院在內的許多國家計量院已經開展了多年實驗研究。

作為國際單位制的基礎、核心和關鍵,時間頻率基準已率先完成量子化變革,其定義從“天文時”;轉變為基于原子能級躍遷的“原子時”,測量精度立刻提升了1000萬倍以上。正是基于時間定義的量子化變革,實現了衛星導航定位,其精度達到了厘米級別。時間定義的變革還快速催生長度、電學、溫度、質量等單位的重新定義。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,使長度測量進入原子級別。

“伴隨測量精度大幅提升,一大批革命性的新技術由此誕生,帶來產業的跨越式發展。如精準測量支撐了納米技術和石墨烯的應用、提升了先進制造中航空發動機的精度、推動了精準醫療產業的發展、決定了核潛艇偵測和隱身技術的競爭成敗等?!狈较蚪榻B。

據國際計量委員會主席白瑞·英格利斯在研討會上介紹,國際計量委員會正在起草關于重新修訂國際單位制的草案,該草案有望于2018年被國際計量大會采納。儀器校驗當天的研討會上,國際計量委員會以及美國、德國、中國等國家計量院的專家們還就國際單位制重新定義以及計量支撐“工業4.0”、智能電網和新能源等重要內容進行了探討。

不過,對于單位制重新定義后對日常生活帶來的影響,方向表示,“米”雖然還是那個米”,內涵卻有根本的改變,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。這些變化對新興產業的發展,對人類認識和改造自然有著不可估量的作用。

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