計量向哪里變
從計量的發(fā)展歷程來(lái)看，測量準確性的提高，與人們對自然界的觀(guān)察、認識以及自然科學(xué)和生產(chǎn)力的發(fā)展有著(zhù)緊密的聯(lián)系。尤其在生產(chǎn)方式的變革之中，當人們期待用一種新的生產(chǎn)技術(shù)取代傳統技術(shù)時(shí)，對測量方法和測量的準確性就會(huì )提出新的、更高的要求，這就促使一些學(xué)者、發(fā)明家或工程人員去探索和改進(jìn)測量的技術(shù)、手段和方法。
第一次工業(yè)革命的爆發(fā)，不僅使生產(chǎn)力以及財富創(chuàng )造力都較農耕文明時(shí)代有了成千上萬(wàn)倍的增長(cháng)，也成為科技進(jìn)步和知識爆炸的導火索。在19 世紀的中后期，物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個(gè)重要的科學(xué)成就，這就是英國科學(xué)家麥克斯韋創(chuàng )建的電磁學(xué)理論體系。這個(gè)理論以測量試驗為基礎，為人類(lèi)深入物質(zhì)內部觀(guān)察并探索物質(zhì)的微觀(guān)世界提供了全新的方法和手段，也為人類(lèi)運用電能提供了理論和實(shí)踐的依據。在電磁理論和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，新的科學(xué)發(fā)現及理論也井噴式地爆發(fā)和涌現出來(lái)，最重要的突破是20 世紀初期科學(xué)家普朗克提出的量子論和愛(ài)因斯坦提出的相對論。這兩個(gè)全新的觀(guān)點(diǎn)在相繼被科學(xué)實(shí)驗證明后，終于讓人類(lèi)的視野和觸角伸向了廣袤的宇宙，進(jìn)入了物質(zhì)的微觀(guān)世界，并且隨即引發(fā)了化學(xué)、生命科學(xué)、板塊理論以及宇宙大爆炸模型等一系列科學(xué)與技術(shù)的相繼突破。量子論和相對論是繼牛頓經(jīng)典物理學(xué)形成后的又一次物理學(xué)革命，也成為近現代物理學(xué)的重要支柱，是20世紀以來(lái)人類(lèi)在自然科學(xué)領(lǐng)域取得的偉大成就，為當代自然科學(xué)研究奠定了重要的基礎。
量子力學(xué)理論誕生后，計量學(xué)也隨之發(fā)生了革命性的變化?？茖W(xué)家們開(kāi)始探索以物質(zhì)內部的運動(dòng)規律來(lái)定義基本物理量單位的可能性。在《米制公約》時(shí)代建立的長(cháng)度單位“米”的實(shí)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(zhù)同位素光譜光源的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現了寬度很窄的氪-86同位素譜線(xiàn)，再加上干涉技術(shù)的成功應用，人們終于找到了一種可以取代實(shí)物基準且不易毀壞的新標準，即通過(guò)光波的波長(cháng)來(lái)定義長(cháng)度單位“米”。1960 年，科學(xué)界研制出第一個(gè)依據量子理論建立，并被正式確立為長(cháng)度單位的新基準，后在國際計量大會(huì )上重新定義了“米”。新的“米”量子基準不僅準確性較先前的實(shí)物基準提高了3~4個(gè)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(shí)間單位“秒”，也被新的量子時(shí)間頻率基準所取代。相對于用地球公轉周期來(lái)定義時(shí)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(wàn)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(huì )正式通過(guò)了建立國際單位制的決議，標志著(zhù)世界各國計量制度走向全面統一時(shí)代的到來(lái)。計量單位制和計量基準的革命性變化，給全人類(lèi)帶來(lái)的影響和作用都極其深遠。
計量的發(fā)展，不僅有力推動(dòng)了社會(huì )測量準確性的顯著(zhù)提高，還促進(jìn)了激光、X 射線(xiàn)干涉儀、掃描隧道顯微鏡等一系列科學(xué)儀器的發(fā)明和應用，帶來(lái)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(xué)發(fā)現，催生出核能、半導體、激光、超導、納米、基因等一系列新技術(shù)，成為創(chuàng )造和培育新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要驅動(dòng)力。
進(jìn)入21 世紀以后，隨著(zhù)計算機、互聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)與傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，計量技術(shù)和方法也面臨著(zhù)新的進(jìn)步和發(fā)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(chuàng )新和進(jìn)步的主要方向和內容。與此同時(shí)，量子基準的研究也在不斷向縱深挺進(jìn)。近年來(lái)，科學(xué)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(shí)間頻率基準又提高了幾個(gè)數量級。時(shí)間頻率由精準到超精準，為長(cháng)度、電學(xué)以及質(zhì)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(kāi)了用基本物理常數定義基本物理量的大門(mén)。
科學(xué)界認為，量子基準雖然能實(shí)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(xué)界又開(kāi)始了新的探索，期待通過(guò)物理學(xué)領(lǐng)域的普適性常數來(lái)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(gè)領(lǐng)域的實(shí)踐中相繼獲得成功。從20 世紀60年代至今，在7 個(gè)基本物理量中，除了質(zhì)量基本物理量依然保持實(shí)物基準以外，電學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等其余6 個(gè)基本物理量單位都建立了量子基準。經(jīng)過(guò)世界各國科學(xué)家半個(gè)多世紀的努力，在質(zhì)量基準重新定義方面已經(jīng)建立了多個(gè)解決的方案，相信質(zhì)量千克原器完成歷史使命、進(jìn)入檔案館的日子也已為期不遠。