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为什么要进行国际单位制重新变革

发布时间:2020-07-15 作者:中国计量杂志 来源: 浏览:239
谁参与了SI体系的制定?
    国际计量大会(CGPM)每4~6年举行一次全部成员国派代表参加的大会。CGPM基于国际计量委员会(CIPM)的建议,接受、讨论并认可关于SI的新进展。
    国际计量委员会(CIPM)由CGPM提名的来自拥有较高科技地位国家的18位委员组成,每年举行会议,并对关于SI的行政和技术事务提出建议。由58个成员国和41个附属成员国代表通过多个委员会共同努力,为实现共同利益确保测量的相互间可比和一致。
    位于法国的国际计量局(BIPM)是国际计量的中心,保存着国际千克原器。BIPM为CGPM的成员国提供计量服务,并为CIPM出谋划策,为国家或区域性计量机构提供协调服务,并为其组织正式会议。最初BIPM的主要计量任务是将各国的米和千克原器与定义SI的国际原器进行定期比对和重新校准,如今它的主要角色是全球计量体系的中枢。
    
为什么要进行国际单位制重新变革
    现行的国际单位制下,许多测量都源自实物原器,比如米尺、砝码等。国际千克原器(IPK)是目前仅存的定义质量单位“千克”的实物原器。实物原器可能会发生变化,被损伤或毁坏。目前,全世界各国的国家千克原器需要定期运送到位于法国的IPK保存地BIPM,对其进行重量比对。运送原器这一行为本身就会给各国的原器带来风险。同时更重要的是IPK的质量很不稳定,并且从1889年起它就可能开始产生未知的变化,但它却仍然保持着定义标准的地位。
    测量的两个重要方面包括单位的定义(比如厘米)和用于测量的方法(比如用尺子)。如果将两个概念分离,定义能够保持稳定,同时在不需要对体系进行重大修订的情况下也能实现更完善的复现过程。
    20世纪80年代开始,量子力学的发展催生了国际单位制又一次重大变革,国际计量界决定对国际单位制基本单位进行重新定义。自2018年起对国际单位制基本单位将予重新定义。将国际单位制的7个基本单位与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来,以量子物理为基础的自然基准取代实物基准,这样就不会受到空间和时间改变的影响,同时测量准确度等技术指标得以大幅度提高,带动大部分量的测量准确度得到提高,进而对科技的进步和经济社会的发展产生重大促进。SI重新定义将成为未来创新的跳板。如长度单位,历史上曾经以一个国家君主的身体尺寸确定,不同君主差别很大;后来确定为地球子午线的四千万分之一,制作的国际米原器保存在国际计量局,准确度可以达到0.1微米,也就是千万分之一米,大约相当于一根头发直径的千分之一;现在米定义为光在真空中1/299792458秒(接近三亿分之一秒)所走的距离,并建立了自然基准,准确度比国际米原器又提高了几千倍。
    
国际计量变革意义重大
    2018年,国际计量单位制将重新定义,计量技术体系也将经历历史性变革,世界测量技术规则将予重构,国际计量变革的意义重大。由此带来的影响广泛而深刻。
    作为国际计量单位制的基础、核心和关键,时间频率基准已率先完成量子化变革,其定义从“天文时”转变为基于原子能级跃迁的“原子时”,测量准确度迅速提升了1000万倍以上。正是基于时间定义的量子化变革,实现了卫星导航定位,其准确度更是达到了厘米级别,成就了数万亿美元的卫星导航定位产品与服务市场。时间定义的变革还将快速催生长度、电学、温度、质量等单位的重新定义。例如,长度单位“米”不再是传统米尺,而定义为激光在真空中三亿分之一秒所走距离,由此使长度测量进入了原子级别。伴随测量准确度大幅提升,一大批革命性的新技术由此诞生,带来产业的跨越式发展。如精准测量支撑了纳米技术和石墨烯的应用、提升了先进制造中航空发动机的准确度、推动了精准医疗产业的发展、决定了核潜艇侦测和隐身技术的竞争成败等。
    
我国在国际计量重大变革中的应对
    开展与国际单位制有关的基础前沿研究一直是我国的国家计量院??中国计量科学研究院科研工作的一个重点。该院从20世纪80年代起陆续启动了电学量子基准、铯原子喷泉钟、光钟等的研究;2005年以来开展旨在应对SI重新定义的部分基本物理常数精密测量的研究工作。目前已在多个领域实现重大创新和突破,为我国实质性参与国际基本单位的重新定义做出了重大贡献。如在时间领域,目前我国的国家秒长基准装置是中国计量科学研究院研制的NIM5铯喷泉钟,其准确度相当于2000万年不差1秒;该院正在研制NIM6,预计2018年完成,届时准确度也会达到6000万年不差一秒。基于新的原理的光钟比铯原子钟具有更好的稳定度和准确度潜力,2015年9月,中国计量院研制的锶原子光晶格钟准确度相当于1.38亿年不差一秒。
    目前玻尔兹曼常数和普朗克常数的最新测量结果已被CODATA所采用。在温度领域的波尔兹曼常数测量方面,目前国际上只有中国计量科学研究院和美国NIST能够做到同时采用两种不同方法获得高水平的玻尔兹曼常数测量结果并相互印证,为温度单位“开尔文”重新定义作出了中国贡献。
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