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国际计量单位制的重大技术变革

2021-02-27 14:22 来源：无线电实验室 编辑：计量工程师

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国际计量单位制的重大技术变革
《质检科技创新“十三五”规划》对未来5年质检科技创新做了系统谋划和前瞻布局，其中“大力提升参与国际竞争的技术能力”任务中明确部署了“提升计量科技国际竞争力”专栏。国际单位制的重大技术变革是计量校准科技提升国际竞争力的重要机遇与挑战，是国家质量技术基础升级换代与快速发展的主要驱动力，将对各国的经济、科技、社会等各方面产生深刻影响。
 
国际单位制(SI)是全球统一的计量单位制，是构成国际计量体系的基石，目前的国际单位制中，有时间、长度、质量、电流、温度、光度和物质的量7个最基本的计量检测基准。特别是1875年第一次国际计量大会后，各国开始建立世界统一的、以经典物理学为基础、以实物为基准的国际单位制及准确的计量基准，为统一全世界的计量标准起了很好的作用。
 
但是，20世纪以来量子科学的飞速发展，提供了可以建立更准确的计量基准的手段。例如人们发现一些原子在能级变化时发出的光谱谱线，其频率的稳定度远远优于原来用地球运动定义的频率稳定度，最稳定的原子谱线可以达到10-18量级甚至更高的稳定度。如用这样的谱线频率来定义时间单位的计量基准，其稳定度比原来用地球运动定义的时间计量基准高出了十来个数量级。所以国际计量大会在1968年已通过改用铯原子同位素能级变化时的一根谱线的频率来定义时间的国际计量基准“秒”，使得时间计量基准的稳定性大幅度提高。另一方面，许多基本物理常数在实验中表现出是不变的。所以用基本物理常数来定义计量基准也可达到极高的稳定性。作为典型的例子，光在真空中的传播速度c就是一个大家熟知的基本物理常数。许多实验及天文观察证实，真空中的光速是不变的。所以长度的计量基准“米”的定义也改为(1/299792458)秒中光在真空中的传播距离。这样定义的长度计量基准原则上可以达到与时间基准相当的稳定度。20世纪60到80年代发现的“约瑟夫森效应”和“量子化霍尔效应”(两种新效应的发现者均获得了诺贝尔物理学奖)则给了我们定义电流的计量量子基准的手段，也可以达到10-10量级或更高的稳定度。在温度、光度、质量、物质量方面，各国也都在努力建立稳定性极高的新型计量基准。
 
“十二五”期间，我国在国际单位制变革中，已进行先期布局，突破了一些关键技术，部分成果进入了国际领先行列，但是部分参数的测量结果与国际一流水平仍有较大差距：如德国在有关千克重新定义的阿伏伽德罗常数测量方面世界领先;美国研制的下一代时间频率基准光钟的准确度已达50亿年仅差1秒。我国尚未建立起以量子物理为基础的新一代计量基标准装置和完整的量值传递体系。
 
“十三五”期间，我国应抓住国际单位制变革的重大机遇，深入落实创新驱动发展战略，应对国际单位制(SI)基本单位重新定义的重大变革，高准确地测定普朗克常数、玻尔兹曼常数和精细结构常数等，全力推进基本物理常数的精密测定，不断提升测量结果的准确度，在国际单位制变革中占据更大的权重，构建出以量子基准为核心的新一代仪器计量基标准体系，在国际计量界确立中国的先进地位，进一步夯实国家质量技术基础，全面支撑我国创新驱动战略和质量强国战略。

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