充满奥秘和未知的计量世界向哪里变?

2017-06-30 10:17 测控要闻   来源: 计量资讯速递

导读“计量”是关于测量及其应用的科学,也是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动。计量自古以来就与人类活动有着十分密切的关系,已经深深地植根于人们的生产和生活之中。  

计量”是关于测量及其应用的科学,也是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动。计量自古以来就与人类活动有着十分密切的关系,已经深深地植根于人们的生产和生活之中。

从计量的发展历程来看,测量准确性的提高,与人们对自然界的观察、认识以及自然科学和生产力的发展有着紧密的联系。尤其在生产方式的变革之中,当人们期待用一种新的生产技术取代传统技术时,对测量方法和测量的准确性就会提出新的、更高的要求,这就促使一些学者、发明家或工程人员去探索和改进测量的技术、手段和方法。

第一次工业革命的爆发,不仅使生产力以及财富创造力都较农耕文明时代有了成千上万倍的增长,也成为科技进步和知识爆炸的导火索。在19 世纪的中后期,物理学领域取得了一个重要的科学成就,这就是英国科学家麦克斯韦创建的电磁学理论体系。这个理论以测量试验为基础,为人类深入物质内部观察并探索物质的微观世界提供了全新的方法和手段,也为人类运用电能提供了理论和实践的依据。在电磁理论和技术发展的推动下,新的科学发现及理论也井喷式地爆发和涌现出来,最重要的突破是20 世纪初期科学家普朗克提出的量子论和爱因斯坦提出的相对论。这两个全新的观点在相继被科学实验证明后,终于让人类的视野和触角伸向了广袤的宇宙,进入了物质的微观世界,并且随即引发了化学、生命科学、板块理论以及宇宙大爆炸模型等一系列科学与技术的相继突破。量子论和相对论是继牛顿经典物理学形成后的又一次物理学革命,也成为近现代物理学的重要支柱,是20世纪以来人类在自然科学领域取得的伟大成就,为当代自然科学研究奠定了重要的基础。

量子力学理论诞生后,计量学也随之发生了革命性的变化。科学家们开始探索以物质内部的运动规律来定义基本物理量单位的可能性。在《米制公约》时代建立的长度单位“米”的实物基准,其测量的准确性是0.1微米。到了20 世纪50 年代,随着同位素光谱光源的发展,科学家发现了宽度很窄的氪-86同位素谱线,再加上干涉技术的成功应用,人们终于找到了一种可以取代实物基准且不易毁坏的新标准,即通过光波的波长来定义长度单位“米”。1960 年,科学界研制出第一个依据量子理论建立,并被正式确立为长度单位的新基准,后在国际计量大会上重新定义了“米”。新的“米”量子基准不仅准确性较先前的实物基准提高了3~4个数量级,而且十分稳定。随后,在1967年,此前以特定历元下地球的公转周期定义的时间单位“秒”,也被新的量子时间频率基准所取代。相对于用地球公转周期来定义时间“秒”,量子基准的准确度达到了十分惊人的程度,从原先30年误差1秒,一下子提高到了几千万年误差不到1 秒的新高度。按照1955 年签订的《国际法制计量组织公约》,1960 年举行的第11 届国际计量大会正式通过了建立国际单位制的决议,标志着世界各国计量制度走向全面统一时代的到来。计量单位制和计量基准的革命性变化,给全人类带来的影响和作用都极其深远。

计量的发展,不仅有力推动了社会测量准确性的显著提高,还促进了激光、X 射线干涉仪、扫描隧道显微镜等一系列科学仪器的发明和应用,带来了约瑟夫森效应、量子化霍尔效应、单电子隧道效应等一系列重大的科学发现,催生出核能、半导体、激光、超导、纳米、基因等一系列新技术,成为创造和培育新技术革命和产业革命的重要驱动力。

 

充满奥秘和未知的计量世界向哪里变?

进入21 世纪以后,随着计算机、互联网、智能技术传感技术的不断发展,计量技术和方法也面临着新的进步和发展。参量之间互相渗透,测量方法与设备的光、机、电结合以及数字测量逐渐取代模拟测量,正成为现代计量科技创新和进步的主要方向和内容。与此同时,量子基准的研究也在不断向纵深挺进。近年来,科学界新研制的“光晶格钟”,其准确度可达到10-18量级,较现今的铯原子时间频率基准又提高了几个数量级。时间频率由精准到超精准,为长度、电学以及质量等基本单位利用超高准确度频率导出新定义提供了可行的路径,由此叩开了用基本物理常数定义基本物理量的大门。

 

充满奥秘和未知的计量世界向哪里变?

新国际单位制

科学界认为,量子基准虽然能实现很高的准确度和稳定性,但是,要想复制相同准确度的基准却十分困难。因此,从20 世纪中期起,科学界又开始了新的探索,期待通过物理学领域的普适性常数来定义计量单位。从20 世纪60 年代到80 年代,这项探索在电磁计量的电压和电阻两个领域的实践中相继获得成功。从20 世纪60年代至今,在7 个基本物理量中,除了质量基本物理量依然保持实物基准以外,电学、热力学、光学、化学等其余6 个基本物理量单位都建立了量子基准。经过世界各国科学家半个多世纪的努力,在质量基准重新定义方面已经建立了多个解决的方案,相信质量千克原器完成历史使命、进入档案馆的日子也已为期不远。

小结

计量是认识世界和改造世界的工具。计量推动了人类世界的动态发展变化,同时,随着动态世界的变化和需求,计量本身也在不断发展变化。当前,计量不仅全面融入人们的生产生活之中,而且远远超出了人们的传统认知,不断创造着一个又一个奇迹和神话。

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