“從實物到量子”
原子時誕生50周年學術(shù)報告會序言
1952年,全球第一臺原子鐘在英國橫空出世。其后,更多先進的原子鐘在美、法等國問世。鑒于原子鐘卓越的準確度和穩(wěn)定性,1967年第13屆國際計量大會(CGPM)重新定義了SI秒??用133Cs原子基態(tài)兩個超精細能級間的躍遷頻率替代了原有基于地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的秒。這標志著原子時的誕生,宣告著一個以量子定義時間的新時代正式到來。今天,全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經(jīng)達到了1E-16量級,比地球運動的穩(wěn)定性高8個數(shù)量級,相當于幾億年不差一秒。
量子計量基準的出現(xiàn),還為傳統(tǒng)實物計量標準受限于材料和工藝、最高基準受限于時空、傳遞鏈過長導(dǎo)致準確度連續(xù)下降等問題提供了全新的解決途徑。
根據(jù)國際計量局BIPM決議,第26屆國際計量大會即將于2018年11月在法國法爾賽宮舉行。該屆會議將最終審議新的SI修訂案,其中質(zhì)量單位千克(kg)、溫度單位開爾文(K)、物質(zhì)的量單位(mol)將分別基于普朗克常數(shù)h、玻爾茲曼常數(shù)kB和阿佛加德羅常數(shù)NA重新定義;電學基本量電流將被基本電荷常數(shù)e取代,從基本量變?yōu)閷?dǎo)出量。包括長度在內(nèi)的其他SI單位基本量全部實現(xiàn)對時間頻率溯源,這為 “量值溯源扁平化”奠定了堅實基礎(chǔ)。屆時,SI單位的量子化變革將全部完成。
如今,經(jīng)過50年孕育、發(fā)展和洗禮的銫原子時間頻率基準,也受到了新一代光鐘發(fā)起的挑戰(zhàn)。在人類認知自己、認知自然的道路上,量子技術(shù)再一次成為全世界關(guān)注的焦點。量子計量作為定義世界的標尺,也必將為人類前行注入不竭動力。
從歷史上看,國際單位制的每一次變革,皆會對國家科技、經(jīng)濟、社會等各個方面產(chǎn)生積極而深遠的影響。為此,中國計量科學研究院擬于8月31日上午在國家會議中心舉辦“從實物到量子??原子時誕生50周年”學術(shù)報告會,從不同維度詮釋計量從實物走向原子的演變過程和未來發(fā)展應(yīng)用趨勢,為我國科學制定應(yīng)對單位制變革的發(fā)展戰(zhàn)略提供有益的參考。
SI是什么?
SI單位是全球測量基礎(chǔ),它們就像房屋的地基,如果地基不牢靠,房屋就可能倒塌。如果沒有正確地建立測量基礎(chǔ),將會對所有依賴于測量基礎(chǔ)的其它事物產(chǎn)生負面影響。由于測量在科學、技術(shù)和我們的日常生活中無處不在,因此這些測量基礎(chǔ)十分重要。這些測量基礎(chǔ)給我們帶來信心。
我們完全信賴商店中食品標簽上顯示的重量,我們不會帶著自己的秤去檢查他們是否可信??雖然這些重量由交易標準進行規(guī)范,但是最終實現(xiàn)可信測量的是靠SI質(zhì)量單位這一基礎(chǔ)支撐。
SI是國際智慧和解決方案,是測量的通用語言。計量是全球各國與經(jīng)濟體的共同合作的舞臺。即將舉行的2018年國際計量大會將達成對SI變革的全球共識。
SI體系的制定
國際計量大會(CGPM)每4-6年舉行一次全部成員國派代表參加的大會。CGPM基于國際計量委員會(CIPM)的建議,接受、討論并認可關(guān)于SI的新進展。
CIPM由CGPM提名的來自擁有較高科技地位國家的18位委員組成,每年舉行會議,并對關(guān)于SI的行政和技術(shù)事務(wù)提出建議。由58個成員國和41個附屬成員國代表通過多個委員會共同努力,為實現(xiàn)共同利益確保測量的相互間可比和一致。
國際計量局(BIPM)是位于法國塞夫勒的國際計量的中心,保存著國際千克原器。BIPM為CGPM的成員國提供計量服務(wù),并為CIPM出謀劃策,BIPM是以上這些機構(gòu)的秘書處所在地,為國家或區(qū)域性計量機構(gòu)提供協(xié)調(diào)服務(wù),并為其組織正式會議。最初BIPM的主要計量任務(wù)是將各國的米和千克原器與定義SI的國際原器進行定期比對和重新校準,如今它的主要角色是全球計量體系的中樞。
現(xiàn)行單位制面臨的兩大挑戰(zhàn)
1.依賴于現(xiàn)存的實物原器-國際千克原器(IPK)
許多測量都源自實物原器,比如米尺,但是IPK是目前僅存的定義某個測量單位的實物原器。
實物原器會發(fā)生變化,被損傷或毀壞。此外,想從世界的某個地點實現(xiàn)可靠溯源至IPK是一項艱巨的任務(wù)。從根本上而言,IPK的質(zhì)量很不穩(wěn)定,并且從1889年起它就可能開始產(chǎn)生未知的變化,但它卻仍然保持著定義標準的地位。目前,全世界各國的國家千克原器需要定期運送到位于法國的IPK保存地BIPM,對其進行重量比對。運送原器這一行為本身就會給各國的原器帶來風險。
用其它更為基本和穩(wěn)定的東西替代SI單位制中的最后一個實物原器(IPK)是近200年來SI單位制的夙愿,如今這一愿望即將實現(xiàn)。
2.SI單位定義和復(fù)現(xiàn)的組合
測量的兩個重要方面包括單位的定義(比如厘米)和用于測量的方法(比如用尺子)。如果將兩個概念分離,定義能夠保持穩(wěn)定,同時在不需要對體系進行重大修訂的情況下也能實現(xiàn)更完善的復(fù)現(xiàn)過程。
因此將定義建立在基本常數(shù)的基礎(chǔ)之上十分重要,由于常數(shù)不變,因此它們的數(shù)值和定義能夠在相當長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。同時能夠鞏固SI單位,并將其從內(nèi)部關(guān)聯(lián)起來。
SI單位修訂之后,將使用以下基本常數(shù):
真空中的光速c =299 792 458 m s?1
普朗克常數(shù)h = 6.626 06X ?10?34 J s
基本電荷e = 1.602 17X?10?19 C
玻爾茲曼常數(shù) kB = 1.380 6X?10?23 J K?1
阿伏伽德羅常數(shù)NA = 6.022 14X?1023 mol?1
頻率為540 ? 1012 Hz的單色光輻射的發(fā)光效率Kcd為683流明每瓦特
目前普朗克常數(shù)的測量方式基于SI單位,但是最終將根據(jù)吊桶天平和阿伏伽德羅實驗的結(jié)果確定一個固定數(shù)值。普朗克常數(shù)將被定義為6.626 06X?10?34焦耳秒,這反過來也定義了焦耳秒(J?s)這一單位。(X表示未知的最終數(shù)值)
使用不變的自然法則使我們能夠創(chuàng)造不變的測量規(guī)則。使用自然常數(shù)使我們能夠把最小的到最大的物理量關(guān)聯(lián)起來。將原子(和量子)尺度與那些宏觀層面的測量關(guān)聯(lián)在一起。這是變革的魅力所在。
變革標志著重大進展。如今科學進步使我們能夠向更好的未來邁進,同時還能保證實際用戶所需的延續(xù)性。SI重新定義將成為未來創(chuàng)新的跳板。
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