计量与量值单位的新定义

　　摘要：计量是人们描述世界的基本尺度。在“米制公约”签订时，最初只设定了长度“米”和质量“千克”两个计量单位，并且按照“米”和“千克”的定义，制作出统一量值的实物计量基准。

　　计量是人们描述世界的基本尺度。在“米制公约”签订时，最初只设定了长度“米”和质量“千克”两个计量单位，并且按照“米”和“千克”的定义，制作出统一量值的实物计量基准。不过，在“米制公约”之前，时间单位“秒”已经由物理学家和天文学家按照地球自转周期给出了一个定义， 又称天文时，即目前民间广泛使用的格林威治时间。

　　在国际单位的七个基本物理量中，时间频率计量基准的研究始终备受瞩目。时间和空间是人类认知自然最古老、最基本的命题。时间描述周期运动，有两个概念：时间间隔和时标。秒长和周期都是时间间隔，频率是周期的倒数。规定公元起点，连续累积时间，比如2016年×月×日，这就是时标。日出而作，日落而息，人类对时间的认知起源于天文观测。地球自转一周，称为一天，一天等分86400等于1秒，这就是天文秒。

　　到20世纪初，物理效应测量时间的稳定度超过了天文观测。也就是说，尽管地球是一个巨大的质量，但它的运动速率仍然时快时慢。1967年，国际计量大会决定用原子秒取代天文秒，秒长定义为金属铯1 同位素（1 Cs）基态两个超精细能级跃迁辐射的91926 1770个周期所需要的时间。原子秒长的稳定度比天文秒改善了数亿倍。对比天文时，原子时是先定义秒长，然后“累积”86400秒，得到一天。那么，原子秒定义中91926 1770这个数具体是怎么得来的呢？就像任何新事物都脱胎于旧事物一样，当时的科学家用尽可能准确的天文时做“尺子”，在1个天文秒里，数出铯原子辐射振动了91926 1770次。从此，原子时取代了天文时，时间由原子钟产生。

　　新定义以“原子时”取代了早期的“天文时”，让时间单位“秒”的准确度一下子提高了5——6个数量级。按照这个新国际计量基准， 准确度可以达到量级，使计量基准的准确度达到了前所未有的高度。原子时比天文时更为准确，且不受地球公转速度的影响。不过，因天文时仍被民间广泛使用，所以目前国际上是以协调时的方法来对两者间的误差进行折衷。近年来，法国、美国等国家又相继公布了其最新研究成果，已经研制出更加准确的时间频率基准，准确度预期可以达到量级。如果新的原子钟被国际认可，“秒”的定义在历经半个世纪后或将再次被改写。

　　历史上，计量基本单位的每一次重新定义，往往是一次技术大变革的开始，而且会产生持久且深远的影响。1960年，国际上首次用量子自然基准来定义光波长度基准。此后的半个多世纪里，整个世界的测量水平以及测量准确度都获得空前的提高。

　　量子计量基准的发明和使用，促进了科学技术的进步，引发了一浪高过一浪的科技与产业革命。它加快了经济全球化的进程，使全球间贸易往来更加活跃，也为中国等一大批新兴经济体国家带来了经济发展的奇迹。它为技术创新带来了巨大的发展空间，培育并造就出包括纳米、生物、卫星导航、 D打印、机器人等一大批高新技术和产业。它使人们的衣、食、住、行都得到巨大改善，健康水平不断提高，人类的平均寿命不断延长。它使人类在预防和抵御自然灾害、保护生态环境、合理利用能源资源等方面的水平进一步提高。可以预见，在2020年前后国际基本量单位再一次改写定义之后，整个世界必将随之发生惊人的、革命性的改变。