量子时代看计量

      2019年5月20日，第20个“世界计量日”，新国际单位制体系将在这天正式生效。至此，国际单位制全面进入量子时代。
　　国际单位制（SI）是从“米制”发展起来的国际通用的测量语言，是人类描述和定义世间万物的标尺。“时间单位‘秒’、长度单位‘米’、质量单位‘千克’、电流单位‘安培”、温度单位‘开尔文’、物质的量单位‘摩尔’和发光强度单位‘坎德拉’，这7个单位是SI的基本单位，由它们可以组合导出国际单位制规定的其他单位，如力的单位‘牛顿’，频率的单位‘赫兹’等。”中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）相关负责人介绍说。
　　“2018年11月16日，看似平淡的一天，计量史上发生了一件大事。国际单位制中的‘千克’‘开尔文’‘安培’‘摩尔’的定义被改变了。”中国计量院院长方向说。他作为中国代表团成员参加了在巴黎举办的第26届国际计量大会。这次大会通过了“修订国际单位制”的决议。
　　以实物为基准向各国传递量值，已经越来越不适应精确测量的要求，科学家们一直在努力寻求用一种全球一致的“自然常数”取代实物基准。在全球计量学家的不懈努力下，国际单位制7个基本单位中的实物基准，逐步被以量子物理为基础的自然基准所取代，准确度和稳定性得到了大幅度的提高。
　　在1967年召开的第13届国际计量大会上，科学家用铯原子的基态能级跃迁重新定义了“秒”，标志着“秒”进入量子化时代。这种重新定义“秒”的铯原子钟，既没有指针，也没有齿轮，只有激光束、光学镜组和铯原子气。
　　在“秒”完成了量子化定义后，第二个被重新定义的基本单位是“米”。1983年，第17届国际计量大会上引入了光速常数，并利用了已经完成量子化定义的“秒”，重新定义了“米”。
　　“时间和长度的基本单位完成了量子化定义，极大地提高了测量精度，扩大了测量范围。”方向说。他表示，随着计量科学的不断发展，高精度的卫星导航定位，电子芯片和纳米材料，都已融入我们的生活。
　　100多年以来，“1千克”这一质量单位是由一个直径和高度同为39毫米的铂铱合金圆柱体定义的，它叫做“国际千克原器”，外号为“大K”。但经不住岁月的侵蚀，这件原器可能质量发生了漂移，早已不再是最初的“1千克”了，已经难以适应现代精密测量的要求。科学家们让国际千克原器“大K”卸任，以量子力学中用于计算光子能量的普朗克常数作为新标准重新定义“千克”。
　　在温度单位“开尔文”的重新定义过程中，准确测量玻尔兹曼常数是成功的前提。中国计量院“温度单位重大变革关键技术研究”项目团队经过多年努力，得到了全球最好的测量值，为这一革命性的创新活动作出了巨大贡献，系列成果获得了2018年国家科技进步一等奖。
　　与国际单位制有关的基础前沿研究一直是中国计量院科研工作中的一个重点。在安培、摩尔、坎德拉的量子化变革中，他们也作出了中国贡献。
　　随着人类认识自然能力的提高，计量科学还将继续向前不断探索。计量工作者的目标是什么呢？“让不确定度越来越小，由0.1变成0.01、0.001……离追求目标越来越近，但永远达不到终点，没有止境，驱使你永远往前去走，这也是计量科学的魅力。”方向说。栗世民 文并摄