面向新世纪的计量科技

    计量是关于测量的科学,是实现单位统一、量值准确可靠的活动。计量科学技术工作的主要任务是,为生产活动、国际贸易、社会发展、国防建设、科学研究、人民消费等各个方面提供准确一致的测量数据和量值。测量准确度、可靠性的提高是计量本身的创新,同时计量也为其它科学创新提供基础支持,是科技创新的基础技术。世界贸易全球化的不断增强,商品国际间合作制造运动蓬勃开展,大多数产品和服务的技术复杂性显著提升,人们对健康、安全和环境的影响日益关注,极大的推动了全球计量体系发展和计量的全球化趋势。计量科技属于国家的基础设施事业。它涉及国家可持续发展战略和公众利益。本文将就国际基本单位的复现和科学计量、知识型经济对计量科技的新需求、计量科技在可持续发展中的特殊地位、计量全球化趋势和提高国际竞争力等方面在新世纪面临的机遇和挑战作一简要评述。

    1.科学计量是自然科学的基础和前沿

    自然科学的各个学科,通过可靠的测量来探索自然现象,并根据国际上对计量单位所复现的准确量值,保证实验数据的准确一致,从而促进了科学的发展。与此同时,现代计量科学又广泛采用了当代最前沿的成就,例如激光冷却原子束、玻色-爱因斯坦凝聚、光子纠缠、约瑟夫森效应、量子化霍尔效应等重大科学成就,使科学计量的准确度发生跳跃式的提高。正如王大珩院士所说,“计量学是提高物理量量化精确度的科学,是物理学的基础和前沿”,“计量学是在国际上占有很高地位的基础科学,计量为自然科学的进步和发展创造了条件。”

    20世纪科学计量最重要的成就是基本实现了以量子物理为基础的国际基本单位体系。早在18世纪下叶,英国物理学家、数学家麦克斯韦曾指出,长度、质量和时间的单位应当建立在原子波长、频率和原子质量中而不是在运动着的星体和物体上。但由于实现上的困难直到20世纪六十年代之前,由米制演化而来的国际单位制(SI)的单位量值的复现仍然是建立在经典物理学的基础上、依靠性能相对稳定的宏观实物来实现。如米原器、千克原器、基于地球自转周期导出的平均太阳秒、饱和式的韦斯顿化学原电池组等。但随着时间的推移或地点的变动,它们的量值受其物理或化学性能缓慢变化而发生漂移,影响了单位量值的复现、保存和准确度的提高。而在微观量子体系中,量子化的原子能级跃迁辐射信号的周期或频率非常稳定,不会随时间或地点发生漂移和变动。这就促使计量科学工作者逐步要用微观的量子效应来定义单位和复现量值。这类微观量子基准,诸如用氪-86原子的特定能级跃迁所定义的米(1960),铯-133原子特定能级跃迁所定义的秒(1967年)等,大大地提高了SI基本单位实现的准确性、稳定性和可靠性。但是,量子基准仍然与某种原子的特定量子跃迁过程有关,随着更为精确的量子跃迁过程的发现,人们需要精益求精地修正或补充单位的定义。