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計量向哪里變

 

  “計量”是關于測量及其應用的科學,也是實現單位統一、保證量值準確可靠的活動。計量自古以來就與人類活動有著十分密切的關系,已經深深地植根于人們的生產和生活之中。

 

  從計量的發展歷程來看,測量準確性的提高,與人們對自然界的觀察、認識以及自然科學和生產力的發展有著緊密的聯系。尤其在生產方式的變革之中,當人們期待用一種新的生產技術取代傳統技術時,對測量方法和測量的準確性就會提出新的、更高的要求,這就促使一些學者、發明家或工程人員去探索和改進測量的技術、手段和方法。


  第一次工業革命的爆發,不僅使生產力以及財富創造力都較農耕文明時代有了成千上萬倍的增長,也成為科技進步和知識爆炸的導火索。在19 世紀的中后期,物理學領域取得了一個重要的科學成就,這就是英國科學家麥克斯韋創建的電磁學理論體系。這個理論以測量試驗為基礎,為人類深入物質內部觀察并探索物質的微觀世界提供了全新的方法和手段,也為人類運用電能提供了理論和實踐的依據。在電磁理論和技術發展的推動下,新的科學發現及理論也井噴式地爆發和涌現出來,最重要的突破是20 世紀初期科學家普朗克提出的量子論和愛因斯坦提出的相對論。這兩個全新的觀點在相繼被科學實驗證明后,終于讓人類的視野和觸角伸向了廣袤的宇宙,進入了物質的微觀世界,并且隨即引發了化學、生命科學、板塊理論以及宇宙大爆炸模型等一系列科學與技術的相繼突破。量子論和相對論是繼牛頓經典物理學形成后的又一次物理學革命,也成為近現代物理學的重要支柱,是20世紀以來人類在自然科學領域取得的偉大成就,為當代自然科學研究奠定了重要的基礎。


  量子力學理論誕生后,計量學也隨之發生了革命性的變化。科學家們開始探索以物質內部的運動規律來定義基本物理量單位的可能性。在《米制公約》時代建立的長度單位“米”的實物基準,其測量的準確性是0.1微米。到了20 世紀50 年代,隨著同位素光譜光源的發展,科學家發現了寬度很窄的氪-86同位素譜線,再加上干涉技術的成功應用,人們終于找到了一種可以取代實物基準且不易毀壞的新標準,即通過光波的波長來定義長度單位“米”。1960 年,科學界研制出第一個依據量子理論建立,并被正式確立為長度單位的新基準,后在國際計量大會上重新定義了“米”。新的“米”量子基準不僅準確性較先前的實物基準提高了3~4個數量級,而且十分穩定。隨后,在1967年,此前以特定歷元下地球的公轉周期定義的時間單位“秒”,也被新的量子時間頻率基準所取代。相對于用地球公轉周期來定義時間“秒”,量子基準的準確度達到了十分驚人的程度,從原先30年誤差1秒,一下子提高到了幾千萬年誤差不到1 秒的新高度。按照1955 年簽訂的《國際法制計量組織公約》,1960 年舉行的第11 屆國際計量大會正式通過了建立國際單位制的決議,標志著世界各國計量制度走向全面統一時代的到來。計量單位制和計量基準的革命性變化,給全人類帶來的影響和作用都極其深遠。


 

計量的發展,不僅有力推動了社會測量準確性的顯著提高,還促進了激光、X 射線干涉儀、掃描隧道顯微鏡等一系列科學儀器的發明和應用,帶來了約瑟夫森效應、量子化霍爾效應、單電子隧道效應等一系列重大的科學發現,催生出核能、半導體、激光、超導、納米、基因等一系列新技術,成為創造和培育新技術革命和產業革命的重要驅動力。

 

  進入21 世紀以后,隨著計算機、互聯網、智能技術與傳感技術的不斷發展,計量技術和方法也面臨著新的進步和發展。參量之間互相滲透,測量方法與設備的光、機、電結合以及數字測量逐漸取代模擬測量,正成為現代計量科技創新和進步的主要方向和內容。與此同時,量子基準的研究也在不斷向縱深挺進。近年來,科學界新研制的“光晶格鐘”,其準確度可達到10-18量級,較現今的銫原子時間頻率基準又提高了幾個數量級。時間頻率由精準到超精準,為長度、電學以及質量等基本單位利用超高準確度頻率導出新定義提供了可行的路徑,由此叩開了用基本物理常數定義基本物理量的大門。


 

新國際單位制


  科學界認為,量子基準雖然能實現很高的準確度和穩定性,但是,要想復制相同準確度的基準卻十分困難。因此,從20 世紀中期起,科學界又開始了新的探索,期待通過物理學領域的普適性常數來定義計量單位。從20 世紀60 年代到80 年代,這項探索在電磁計量的電壓和電阻兩個領域的實踐中相繼獲得成功。從20 世紀60年代至今,在7 個基本物理量中,除了質量基本物理量依然保持實物基準以外,電學、熱力學、光學、化學等其余6 個基本物理量單位都建立了量子基準。經過世界各國科學家半個多世紀的努力,在質量基準重新定義方面已經建立了多個解決的方案,相信質量千克原器完成歷史使命、進入檔案館的日子也已為期不遠。


 

小結

計量是認識世界和改造世界的工具。計量推動了人類世界的動態發展變化,同時,隨著動態世界的變化和需求,計量本身也在不斷發展變化。當前,計量不僅全面融入人們的生產生活之中,而且遠遠超出了人們的傳統認知,不斷創造著一個又一個奇跡和神話。

現在,就讓我們一起走進這個充滿奧秘和未知的計量世界,來近距離感受它的神奇和魅力吧!

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