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走进计量的世界

2322    2019-05-20    发布者:中国测试杂志社    来源:中国计量科学研究院

1875年5月20日,17个国家的代表在法国巴黎签署了政府间协议《米制公约》(The Metre Convention),成立了米制公约组织。这是世界上成立时间最早、最主要的政府间国际计量组织,是一个用以保证测量单位全球统一的永久性的国际框架。

今天,该组织已拥有52个正式成员国,而几乎世界所有国家及其人民都是这一框架的永久受益者,包括你和我。

1977年我国正式加入米制公约组织,就是从那时起,我国结束了历史上英制、俄制、中国古代制等多种测量制度并行的混乱局面,从计量的角度,为经济全球化和便利的国际贸易奠定 基础。

为纪念《米制公约》的签署,每年的5月20日被定为世界计量日。这一天也是全世界受益于《米制公约》国家和人民共同庆祝一个多世纪以来在这一公约的框架下世界科学、技术和经济社会发展巨大成就的一天。

为此,国际计量局特别发起了“世界计量日” 宣传项目,设计制作了多样的宣传产品,并授权各国的国家计量院将其翻译成本国语言的版本。

 

计量是什么?

计量是关于测量的科学,是用以实现测量单位统一和量值准确可靠的一切科研和管理活动。

其实,从小时候认识表针开始,我们就在测量时间;从上学时拿起格尺开始,我们就在测量距离…… 测量活动几乎发生在我们日常生活的方方面面,但是“计量”一词对很多人来讲却很陌生,计量和测量的区别到底是什么呢?

应该说,计量的本质就是测量,但它不是普通的测量,它作为一种科学,要实现三个根本目的,而这也恰恰是计量的本质特征:

1. 保证测量单位的统一

2. 保证量值的准确、可靠和相互之间的可比性

3. 实现测量数据的全球互认  

国际千克元器(最准的1kg哦)  

为更好地理解这些,让我们举个例子吧,我们的手表一年中有几分钟的误差是可以允许的,民用的测量不需那么高的准确度,但是全球定位系统(GPS)对时间的精准性就有着极高的要求,时间越准确其定位精度越高,在民用定位和军事应用上发挥着重要作用,我国目前的时间频率基准可以准确到800万年不差一秒。

又如医疗、食品等与人类健康密切相关的领域,医用X射线过量会对人体造成伤害、食品药品中的有害成分也只能被允许在一定的范围内。如何准确了解辐射量和成分的含量呢?这只能靠计量科技来解决了。

再如,我国对出口产品有关指标的测量数据如何得到国外机构的认可? 这就需要国家之间对其测量能力互相承认,这对于国际贸易的公平与便利是非常重要的,这样的秩序也是要通过计量来实现的。


计量为什么重要?

上面的例子已经多少让大家体会到点计量的重要了吧?

其实,计量是一种典型的智力资本密集型的科研工作。大批优秀的科学家默默无闻地辛勤钻研,他们不被我们知晓,但他们的研究成果却在广泛的领域内服务着我们的世界、我们的国家,我们每一个人。

但是,计量却不仅仅是科学家们的工作,它对于我们每一个人都至关重要。人类社会中一个个无形又复杂的网络,如生产、服务、贸易、通信等等,每个网络的高效可靠运转都要依赖准确可靠的测量科学和技术,例如,

准确可靠的测量,让制造商能够精确加工各类规格的产品和完成产品测试,并保证国际贸易的公平性;

卫星导航系统和一致的国际时间,让准确定位技术成为可能,让计算机网络全球连通,让飞行即便在能见度极差的夜晚仍能准确降落;

准确的化验结果,让医生出具准确的诊断,保证我们的生命健康

准确可靠的测量,让司机们相信加油站灌进去的油确实没有短斤少两

……

 

这样的例子举不胜数,计量,真实地影响着我们的世界,我们的生活。

随着经济全球化和科学技术的快速发展,计量在国家经济和高科技背景下的国际竞争中的地位和作用日趋显著。从空间定位技术的准确性,到纳米、新材料等新兴技术的发展,到全球环境工作中的测量问题,再到食品药品安全工作中的成分测量,国家计量技术水平(国家测量能力)已成为世界各国提高科技创新水平、推动经济发展、促进社会进步、维护国家安全、增强贸易竞争力、提高国家综合国力和实现高新技术产业化的重要技术手段和基础保障,受到了各国政府的高度重视。


计量界中的诺贝尔获奖者

2005年诺贝尔物理学奖

美国哈佛大学物理学教授美国科学家罗伊.格劳伯(Roy J. Glauber,1925-),美国标准与技术研究院(NIST,美国的国家计量院)资深研究员、JILA实验室研究人员约翰.霍尔(John L. Hall,1934-),德国科学家特奥多尔.亨施(Theodor W. Hansch,1941-)因对基于原子物理和量子光学的精密测量技术的发展作出的贡献,共同获得2005年诺贝尔物理学奖。

罗伊.格劳伯

约翰.霍尔

特奥多尔.亨施



对时间的精确测量主要依靠原子跃迁的频率,但在原子运动的状态下,测量不太精确。而利用激光技术将原子冷却后使之速度降低,就可以作出精确测量。霍尔的研究,主要结合了原子物理和量子光学,在精确测量方面作出了杰出的贡献。该技术应用于激光冷却铯原子喷泉钟的建立。


2001年诺贝尔物理学奖

美国标准与技术研究院(NIST)研究员、JILA实验室研究人员艾里克.科纳尔(Eric A. Cornell,1961-),德国科学家沃尔夫冈.凯特纳(Wolfgang Ketterle,1957-),美国科罗拉多大学玻尔多分校教授、JILA实验室研究人员卡尔.威尔曼(Carl E. Wieman,1951-)因在碱性原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚态,以及凝聚态物质性质早期基础性研究方面取得的成就,共同获得2001年诺贝尔物理学奖。

艾里克.科纳尔

沃尔夫冈.凯特纳

卡尔.威尔曼

人们都知道激光与普通灯光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡,因此如何控制其它光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。1924年印度物理学家玻色提出了一个关于光粒计算的重要理论,并将结果发给了爱因斯坦,爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。爱因斯坦预计,如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度,那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这种过程与从气体中滴下一滴液体相似,因此称为玻色-爱因斯坦冷凝,上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。


1986年度诺贝尔物理学奖

美国加州斯坦福大学朱棣文(Stephen Chu,1948-)、法兰西学院和高等师范学院教授科恩.塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji,1933-)和美国国家标准与技术研究院(NIST)科学家威廉.菲利普斯(William D.Phillips,1948-)因在发展用激光冷却并俘获原子方法方面所作的贡献获得1997年诺贝尔物理学奖。

朱棣文

科恩.塔诺季

威廉.菲利普斯

操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标。物理学家开发了用激光把气体冷却到微开温度范围的各种方法,并且把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中。在这里面,个别原子可以以极高的精确度得到研究,从而确定它们的内部结构。

德国科学家埃瑞尼斯特.鲁斯卡(Ernst Ruska,1906-1988)因在电子光学方面的基础性研究以及研制出第一台电子显微镜,德国科学家哥德.宾尼(Gerd Binnig, 1947-),瑞士科学家亨利瑞齐.罗雷尔(Heinrich Rohrer, 1933-)因研制出扫描隧道显微镜(STM),共同获得1986年度诺贝尔物理学奖。

尼斯特.鲁斯卡

哥德.宾尼

亨利瑞齐.罗雷尔

扫描隧道显微镜具有原子级高分辨率,结构小巧、操作方便,它的应用使对微观领域一系列新科学技术的探索成为可能,如纳米电子学、纳米材料学、纳米显微学、表面科学、纳米生物学、纳米机械学等, STM已成为纳米科学研究的主要工具。


1985年诺贝尔物理学奖

德国物理学家冯.克利钦(Klaus von Klitzing,1943-)因其发现了量子化霍尔效应获得1985年诺贝尔物理学奖。

冯.克利钦

量子化霍尔效应是一个对整个计量系统具有重大影响的现象,量子化霍尔电阻与传统的实物电阻受温度、湿度等环境影响不同,完全取决于基本物理常数,理论上没有误差。基于这一原理,中国计量科学研究院首席研究员、中国科学院院士张钟华挂帅的项目组以创新性的方法攻破关键技术难点,建立了我国的量子化霍尔电阻基准,其不确定度达到了2.4×10-10,优于国外同类装置十倍,位列国际同类基准之首。该成果获得2007年国家科技进步一等奖。


1918年诺贝尔物理学奖

德国物理学家、柏林大学教授马克思.普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858-1947),因在黑体辐射研究中引入能量量子,获1918年诺贝尔物理学奖。

马克思.普朗克

普朗克是量子理论的奠基人之一。他首先推出普朗克常量h并首先给出h和k的数值。他认为h、光速C和万有引力常量G是三个重要的普适常量,作为定义质量、长度、时间的自然单位制的基本量。1900年12月14日,他在德国物理学会宣读了《关于正常光谱的能量分布定律的理论》,总结了上述理论。这一天成了量子论的诞生日。普朗克关于辐射系统与辐射场间不连续的量子交换概念,打破了经典物理学的框架,开辟了物理学历史的一个新纪元,并对科技以及人类社会的发展产生了极其深远的影响。

在计量领域,正是量子物理的诞生使得量子计量基标准成为可能,它取代了传统的实物基标准。目前,在国际单位制的7个基本量中,质量单位“千克”是唯一一个仍然采用实物基准的基本量单位。

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