计量的根本是准

编者按

当今社会，“计量”的概念早已不局限于“买布要用尺、买粮要用秤、穿衣戴帽要知尺码”这些简单的应用范围。从奥运比赛公平、公正地举办到神舟飞船的成功发射，从京沪高速铁路的设计到三峡水利工程的建设，处处都能看到计量发挥的作用。

本报从今日起开设“专家带你走近计量”栏目，邀请计量专家围绕某一计量话题或新近发生的焦点、热点事件中所涉及的计量问题进行科普性知识介绍。希望这些介绍能给读者提供更多的计量知识，真正让计量走出实验室，走进社会生活。

焦点话题——计量基准

出场专家——张钟华

我国著名计量学专家，中国工程院院士，主要从事电磁场计算、精密电测量研究，曾获国家科技进步一、二、三等奖。现任中国计量科学研究院首席研究员。

图为我国自主研制的具有国际领先水平的量子化霍尔电阻基准装置。魏淑芝摄

人们为了把客观世界的特性用数量来表达，就需要进行测量。测量过程实质上是一种比较的过程。例如，我们用步长去测量某一段距离，就是把自己的跨步去与此段距离作比较，确定此段距离是步长的多少倍。当然此例中的测量过程比较粗糙，步长也因人而异，所以测量准确度不高。随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要求要有统一的几何量标准。贸易活动的日益扩大也提出了建立统一的质量标准的要求。一旦这些标准建立了起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果就可以相互比较。测量的根本问题就是解决“准”的问题，而只有当有了统一的标准才谈得上“准”与“不准”的问题。

如果把计量比作一棵大树，那么我们常说的长度计量、温度计量、力学计量等具体测量活动就是这棵树上的枝叶和果实，这也是我们比较熟悉和容易理解的计量。但是，深埋在土地里的大树的根基却往往被人们所忽视。计量这棵大树的根基就是计量单位制的基本单位。大家都知道，只有根基扎得越深，树干上的枝叶和果实才能生长得更好。所以，计量单位制的基本单位的研究进展程度决定了各具体的计量学领域的发展程度，各种计量结果最终都要溯源到计量单位制的基本单位。

目前广泛应用的国际单位制有7个基本单位：时间单位秒(s)、长度单位米(m)、质量单位千克(kg)、电流单位安培(A)、温度单位开尔文(K)、光度单位坎德拉(cd)和物质量单位摩尔(Mol)，其他各种单位则由这7个基本单位导出。由于7个基本单位的重要性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准———计量基准。

在过去了的20世纪中，计量基准经历了从实物基准到量子基准的提升，准确度有了大幅度的提高，适应了社会对计量工作提出的各种各样的高要求。

20世纪上半叶以前，基本单位的量值是由实物计量基准复现和保存。实物基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现。例如，一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱———千克原器砝码的质量，就被定义为质量单位千克(kg)。但是，这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。此外，最高等级的实物计量基准全世界一般只有一个或一套，一旦发生战争、地震、洪水等意外而被损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也就会因此而被中断。

上述问题已经使传统的实物计量基准日益不能适应实际需要。近年来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。

量子物理学是20世纪初人们在对光辐射以及原子、分子等微观粒子的运动规律的研究中发展起来的。按照量子物理学理论，宏观物体中的微观粒子的微观态，与物体的宏观参数如形状、体积、质量等并无明显关系。因此，如果利用量子现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定对计量基准产生的影响。

最著名和最成功的一种量子计量基准是1967年在国际上正式启用的铯原子钟。近年来，铯原子钟的不确定度已达到10-15量级，几千万年才有相差一秒的可能误差。这与20世纪上半叶还在使用的实物基准相比，其准确度真是不可同日而语了，这充分说明了量子计量基准的重大优越性。

但人们对计量准确度的追求是永无止境的，可以说“没有最准，只有更准”。铯原子钟这样的量子基准尽管获得了很大的成功，但从普适性的角度来看，它仍然有一定的局限性。自20世纪80年代起，人们开始不断探寻其他更好的计量方法，即用基本物理常数来定义计量基准的方法。在此方向跨出第一步的是，国际计量大会于1982年决定把长度单位米(m)的定义改为：“米是光在真空中在1／299792458秒(s)的时间间隔内所经历的路程的长度”。也就是说，用真空中的光的速度这个基本物理常数来定义长度单位米（m）。这比用量子现象来复现计量单位又前进了一步。

2005年10月，国际计量委员会（CIPM）召开会议，准备在用基本物理常数定义计量单位方面迈出新的步伐。会议决定，原则上准备用普朗克常数h重新定义质量单位千克(kg)，用基本电荷e重新定义电流单位安培(A)，用波尔兹曼常数k重新定义温度单位开尔文(K)；同时还考虑用阿佛加德罗常数N重新定义物质量单位。国际计量委员会希望各国的国家计量研究所进行准确的基本物理常数测量，并考察实物基准的稳定性，以备实施新的基本单位定义的需要。2011年召开的国际计量大会，将有可能对此做出正式的决议。届时，国际单位制中的7个基本单位将有5个用基本物理常数定义（长度单位米、质量单位千克、电流单位安培、温度单位开尔文和物质量单位摩尔），一个用量子基准复现（时间单位秒）。

到那时，国际单位制的稳定性、精确性和可靠性将大大提高，从而可在更长的时间内更好地为我们服务。

（本报记者杨蕾对此文有贡献）

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