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第26届国际计量大会探讨新国际单位制的变化优势与影响《资讯》

发布时间:2020-08-17 14:01:32 阅读: 来源:支架厂家

05-20

2018年11月13至16日,由国际计量局(BIPM)组织的第26届国际计量大会(CGPM)在法国凡尔赛召开。大会最终日对“修订国际单位制(SI)”的1号决议进行表决。来自世界60多个国家的测量科学家共同到现场见证此次表决。随着决议被通过,7个国际单位制基本单位中的4个将改由自然常数来定义,并于2019年5月20日起正式生效。新定义将保证国际单位制的长期稳定性,并使复现单位的方法向更好、更新的技术开放。

新国际单位制到底改变了什么?为什么要做出这样的改变?哪些人将受到影响或不受影响?新国际单位制有何优势?将在哪些领域发挥作用?中国计量科学研究院采访了国际计量界8位资深专家,对这些问题进行了解答。

被访专家包括:国际计量委员会主席(时任)白瑞·英格里斯(Barry Inglis)博士,国际计量局终身荣誉局长泰瑞·奎恩(Terry Quinn)博士,国际计量局局长马丁·米尔顿(Martin Milton)博士,国际计量委员会副主席(时任)、美国标准与技术研究院前院长威利·梅(Willie May)博士,国际计量委员会副主席、德国物理技术研究院院长约阿希姆·乌尔里希(Joachim Ullrich)教授,国际计量局前局长、德国物理技术研究院前副院长迈克尔·库纳(Michael Kuehne)教授,国际计量委员会委员、英国国家物理研究院前院长布莱恩·鲍舍尔(Brian Bowsher)博士和国际计量委员会秘书长(时任)、加拿大国家研究委员会国家测量标准研究院前院长詹姆斯·麦克拉伦(James McLaren)博士。

一、新国际单位制有什么变化?

英格里斯:从国际单位制的角度来说国际单位制不会改变,我们还将拥有相同的国际单位。我们仍将有千克、米、秒和开尔文等。但重新定义会使一些单位的数值发生变化。有4个单位将受到影响,千克、安培、开尔文和摩尔。

奎恩:我们测量系统的基础将不再基于实物。以千克为例,它的定义现在是基于一块铂铱合金(千克元器),而千克的新定义将基于物理常数。

乌尔里希:我们确信,目前用于单位定义的常数是不会改变的。没有科学迹象表明它们会发生变化。千克不再像以前那样取决于某种实物的质量,而是定义在自然界的物理常数上。我们固定这些常数的数值,根据公式将这些数值应用到任何你想要定义的数量和单位上。

梅:我想它还解决了一个好奇的学生可能一直在思考但不会问老师的问题:如果千克元器被奎恩先生或者米尔顿先生不小心摔在地上,磕掉了一块,我们的质量单位会怎么样?

奎恩:这个问题的答案很简单。如果它磕掉了一块,它的质量仍然是1千克,但宇宙中其他物质的质量会发生变化。

梅:就是这样。通过重新定义单位,我们摆脱了这种哲学困境。

库纳:复现单位不仅不再需要某种实物原器,而且向更多新方法开放了。因为它们是只基于常数的。我们将获得更多、更好、更新的复现方法。我们不再受限制了。

奎恩:一位中学物理老师问我还有什么新变化,我说除了千克之外,另一个变化就是电流的定义。目前,电流是通过两个间隔1米的无限长导线来定义的。我们将改变它。电流将根据通过的电子数来定义。我们终于可以摆脱那个讨厌的无限长导线了。

乌尔里希:我想可能还有一些简单的解释。根据阿伏伽德罗(硅球法复现千克)的方式,我们取一定数量的原子,然后可以从基本量子理论得到1个原子的质量。然后我们只需要计算原子数就可以得到1千克了。其他所有的质量也可以如此计算。因为根据1个原子的质量,就可以知道5个、10个原子的质量。所以理论上我们可以复现整个范围内的量值。

米尔顿:我们一直在为2018年修订国际单位制做准备,它将对质量的测量产生影响,也将以新的方式影响温度的测量。我们将可以使用新方法测量温度。根据新的定义,可以将温度量值直接溯源到国际单位制。此外,许多高分辨率、高准确度的电学测量将被引入国际单位制系统,我们通过电学系统探测到的量子效应,也可以直接溯源到新国际单位制。

麦克拉伦:虽然我们过去曾几度修改了国际单位制单位的定义,但目前所做的,有可能将是自国际单位制有史以来最大的修订。这是测量史上的一件大事。

二、国际单位制修订对我们有什么影响?

英格里斯:在短期内,普通人不会注意到差异,因为我们仍然会有千克,仍然会有米。

奎恩:国际单位制的修订对大多数人来讲几乎没有任何直接影响。大家不必担心生活有什么变化。你还会在市场上买到1千克的土豆,没问题。

英格里斯:唯一会注意到这种变化的,是那些工作在对测量领域、对准确度水平要求最高的人。在测量准确度最高的领域,电学量的测量值会发生一定的变化。但这并不是指电力公司,而是指最高水平的电学仪器厂商,他们的电学测量仪器在新定义被采纳后会受到影响。这些仪器的校准值将随新定义发生变化。但是,电学量可能是最早会受到影响的领域。在质量方面,1千克的变化非常小,它不会影响大多数人。

米尔顿:每个国家计量院都开展了相应的工作,BIPM在其中起到了协调作用,以保证2019年新定义正式生效时,普通用户、产业界人士以及科研人员都不会立即察觉有什么改变了,他们的测量量值仍是连续的、稳定的。这些修订是为了满足测量对未来长期的需求。所以如果中国电信或其他用户问我们有什么变化了,我们可以对他们说,新定义生效后的测量会和今天一样,但未来可能会有所不同。

梅:未来几年内,全球公众将会从我们现在开展的工作中感到切切实实的益处。对于大多数人来说,这种好处不会立即显现出来,但以后会看到的。我认为国际单位制的这次修订将被人类历史所记录。

三、为什要修订国际单位制?新国际单位制有何优势?

英格里斯:真正重要的是单位制的长期影响。我们无时不刻都在使用基于国际单位制的测量。例如通信、数据传输,这些都需要准确的时间同步,这就需要测量时间等等。从短期来看,国际单位制的修订不会产生影响,但它对国际单位制的长期稳定性有好处。特别是在一些重大领域,比如环境,比如地球物理变化,比如地球运动规律、大气变化等。对于这些领域的观测,你必须要有稳定的参照物,这样一来才可以准确地监控和预测未来。

乌尔里希:新国际单位制的优点是不变、稳定。然后我们可以说,修订国际单位制以前,千克元器掉在地下碎了,宇宙万物的质量会受到影响。但这种情况在国际单位制修订以后就不会再出现了,因为一个(物理常数的)数值不会掉在地上。即使你把它丢到地上,它也不会改变。它是恒定的。

奎恩:修订国际单位制可以说是200年以来人类进步的新高潮,可以说的一件大事。当法国在大革命期间开始采用米制系统,它的想法是建立一个不属于任何一个国家的测量系统,全世界的人都可以使用它,它应该是为全人类所用,在任何时代有效的。我们认为即将能够做到这一点。因为物理常数不属于任何一个国家,它们不属于一个地方,它们在全宇宙都存在且相等。

乌尔里希:我们不再需要到位于巴黎的国际计量局去复现量值。我们可以在任何地方复现。我们可以在生产线上复现——可以直接用溯源到的国际单位制的方式,校准生产线上的上千个传感器。

奎恩:再说回到千克。如果你想进行精确的测量,目前你能达到的最准确的测量是基于1千克的质量元器的。如果你想测量一毫克,你必须对1千克进行分解,这样你会失去准确性。使用基于常量的新定义,你就不会失去准确性。你可以在非常小的级别或非常大的级别进行相同的精度测量。这可能会对工业产生一些实际影响。

乌尔里希:另一个方面是梅博士所说的,我们可以建立一个更短的、直达国际单位制的溯源链。从长远来看,这对于物联网、嵌入式系统和微传感器来说也很重要。可以被放在任何地方、比头发小100倍的传感器,也可以根据国际单位制进行自校准。从长远来看,这可能将促进工业界产生重大创新。对于科学而言,它同样重要。从宏观的角度,我们可以通过两种方法复现千克。从微观角度,我们还第一次可以通过至少两种方法来测量原子质量。我们第一次可以使原子和分子的质量溯源到国际单位制,这虽然对工业不是那么重要,但对科学而言非常重要。

库纳:未来借助新定义,每个人都可以通过基准方式复现1千克。所以关键的问题在于对这些各自复现出的量值进行比较。因为我们希望未来各个国家通过各自的方式独立复现出的质量量值也是一致的。

四、国际单位制的修订工作由谁来承担?

米尔顿:计量是关于测量的科学,有时我们说它是测量的艺术。因为它非常精妙,是人类多年的经验的结晶。国际计量组织、包括各个国家计量院所做的工作就是为了保证我们今天所测量的数据和明天是一致的,在一个城市的值和在另一个城市的值是一致的。所有不同的测量之间是相互协调的。这是我们努力在做的3件事。我们知道如果做好了这些事情,测量就能满足社会、工业和政府的需求。通过溯源链,我们可以将测量结果与全球一致的测量标准联系起来。这就是计量工作。这项工作不仅适用于实验室,也适用于市场上的测量、互联网购物时的测量,电子设备说明书上所涉及的测量。所有这些测量都和计量有关。溯源链则可以保证每个用户得到的数值是正确的。

鲍舍尔:我还要补充一点,国际单位制的修订同时也是一个宣传计量的好机会。因为有时普通民众并不能意识到计量与生活息息相关。它可以告诉我们现在的温度,它可以告诉我们现在的感觉,它可以告诉我们事物的尺寸,它支撑了我们所做的一切。对于国际单位制的修订也许能让人们领会到计量的重要价值,对整个科学和社会的基础支撑作用。

乌尔里希:只有通过测量,你才能最终理解它。我们所有的科学都是基于测量以及不同测量公式之间关系的。基于我们目前的认知,科学是建立在测量的基础上的。

梅:严谨的测量是科学创新的基础,是所有被我们习以为常的事物以及所有新发现的基础。就像智能手机,它之所以存在、之所以被发明,都是因为计量。但每个人都认为这是理所当然的,甚至都没有考虑过这些事情牵涉到计量。除此之外,我们还有加密技术,如果我的手机丢了,你将不会知道我的加密信息,这也需要计量工作的支撑。

英格里斯:有一个名为CODATA的机构,它收集每个全世界国家计量院所测量的基本物理常数。它汇集了所有数据并为所有基本物理常数制定了推荐值。世界各国的国家计量院是推进基本物理常数有关科学发展的基础。对于这项科学研究而言,国家计量院发挥了关键作用。如果没有他们的工作,国际单位制修订就不可能发生。中国的国家计量院(中国计量科学研究院)也发挥了重要作用。特别是在提高温度单位开尔文的准确性方面,他们作出了非常重要的贡献。他们测定的玻尔兹曼常数,将成为修订开尔文定义的基础。

梅:我认为世界各国国家计量院之间的合作还将不断增强。因为我们已经根据这些常数定义了这些单位,未来会有越来越多更巧妙、但更困难的实现方法出现。这将需要全世界的通力合作,这将需要全世界的有志者一起努力。

五、新国际单位制将在哪些领域产生影响?

英格里斯:我们正在努力实现长期稳定性,使得能够对世界面临的重大挑战性问题进行可靠的测量和监测。我的意思是,这些挑战将是全球性的。这个世界上所有人都受到物理变化的影响,我们都受到环境问题的影响,都受温室效应影响,等等。为了更准确地监控和预测,我们需要非常稳定的参照系。短期内我们不会受益,但从长远来看,它为我们的未来奠定了基础。

米尔顿:2018年我们关注的重点主要是关于测量的一些基本领域,以及将如何在未来改善它们。但我们也不要忘记,测量领域今天所面临的其他重大挑战,比如能源测量,如何保障国家间能源交易的可靠;比如食品安全,如何为世界各地的人们提供安全的食物和水;如何保障药品既有效、价格又合理。所有这些都取决于测量结果,世界各地的测量机构都致力于此,并积极地参与到这些项目中来。我们现在谈论的是如何来完成这些任务。我们谈论的是长期性的改善,但仍然要关注一些当前的全球性挑战。

梅:我想量子技术肯定有可能提高美国人的生活质量,在许多其他地方也有类似于我们正在进行的大脑领域研究,想要真正了解我们的大脑是如何工作的。我们知道其中有许多低电平的信号联结形成了复杂的通路。我们将如何测量这些系统?显然现在还做不到。但是,如果我们有芯片级技术,可能就有办法了,甚至可能不需要植入,只要通过皮肤接触就能够测出来。如果我在中国或美国或什么地方对我的大脑进行测试,希望能得到相同的结果。这意味着这些量子测量值必须是绝对的,必须是正确的。这是帮助我们理解生命过程的重要工具。对我而言,除了物理、化学计量领域以外,生物领域对计量也提出了巨大挑战,即我们人类有多么相似?又有多么不同?我们的思维是如何工作的?我认为量子技术可以成为回答这些问题的工具。

乌尔里希:还有医疗传感。新的医疗检测设备,也将对计量产生广泛需求。目前我们要对德国的各项血液指标的正确性负责。我们正在监督3000个实验室,但只是(血液指标中的)二十几个值。在未来,你需要测量身体的数百个值才能了解自身的健康状态。我最近刚看过这样的电影,每天早上当你上厕所的时候,可以对自己的各项指标进行测量,看看身体是否健康,状态怎么样。这一天终将会到来的,所以这些数据的可靠性非常重要。因为如果你去看医生,他会根据这些测量结果做出诊断、做出治疗计划。如果数值不正确,你所接受的治疗可能是不正确的。

鲍舍尔:物理科学这么多年来一直对生命科学有很大帮助,对于成像和诊断、X射线那些方面。但现在正在达到一个使我们能够理解单个细胞内发生的事情的精确水平,并可以将计量结果应用于个性化医疗上。

乌尔里希:例如在PTB,以及NIST,我们正致力于下一代的5G通信。我们都将为此受益。5G通信的频率很高,传输速率也很高,这对工业界来说是一个巨大的挑战。但这对于自动驾驶这样的应用来说很重要。我们必须加快研究速度。

鲍舍尔:我想再谈谈数据管理方面的内容。因为据我了解,在与粒子物理和天文学等相关的工作中,会设计到庞大的数据量。也许一天要处理的数据就相当于两年前整个互联网数据量的总和。如何从大量不太有用的信息中筛选出高质量的信息将是一项挑战。如何应用这些数据来支持全球发展也将是一项重大挑战。

结语

尽管国际单位制的此次修订不会使单位的大小发生变化——1千克还将是原来的1千克,但修订后的4个基本单位将与秒、米、坎德拉一起,提高国际单位制的整体稳定性和实用性。就像1967年秒定义的修订使我们在今天拥有了GPS和互联网技术一样,新国际单位制将在未来对科学、技术、贸易、健康、环境以及更多领域产生深远影响。

中国计量科学研究院作为我国的国家计量院,始终紧跟国际计量科学前沿,并在国际单位制基本单位复现新理论、新方法等方面持续开展研究。目前,中国计量科学研究院已在玻尔兹曼常数、阿伏伽德罗常数等基本物理常数测量,以及量子基准的建立方面取得了系列突破。特别是该院利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为国际单位制温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献,为我国在新一轮科技与产业革命中更好地应对科技、产业和民生各大领域的全球性挑战奠定基础。

(本版稿件由中国计量科学研究院陈杭杭翻译并整理)

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