“從實(shí)物到量子”
原子時(shí)誕生50周年學(xué)術(shù)報告會(huì )序言

　　1952年，全球第一臺原子鐘在英國橫空出世。其后，更多先進(jìn)的原子鐘在美、法等國問(wèn)世。鑒于原子鐘卓越的準確度和穩定性，1967年第13屆國際計量大會(huì )（CGPM）重新定義了SI秒??用133Cs原子基態(tài)兩個(gè)超精細能級間的躍遷頻率替代了原有基于地球公轉和自轉的秒。這標志著(zhù)原子時(shí)的誕生，宣告著(zhù)一個(gè)以量子定義時(shí)間的新時(shí)代正式到來(lái)。今天，全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經(jīng)達到了1E-16量級，比地球運動(dòng)的穩定性高8個(gè)數量級，相當于幾億年不差一秒。

　　量子計量基準的出現，還為傳統實(shí)物計量標準受限于材料和工藝、最高基準受限于時(shí)空、傳遞鏈過(guò)長(cháng)導致準確度連續下降等問(wèn)題提供了全新的解決途徑。

　　根據國際計量局BIPM決議，第26屆國際計量大會(huì )即將于2018年11月在法國法爾賽宮舉行。該屆會(huì )議將最終審議新的SI修訂案，其中質(zhì)量單位千克（kg）、溫度單位開(kāi)爾文（K）、物質(zhì)的量單位（mol）將分別基于普朗克常數h、玻爾茲曼常數kB和阿佛加德羅常數NA重新定義；電學(xué)基本量電流將被基本電荷常數e取代，從基本量變?yōu)閷С隽?。包括長(cháng)度在內的其他SI單位基本量全部實(shí)現對時(shí)間頻率溯源，這為 “量值溯源扁平化”奠定了堅實(shí)基礎。屆時(shí)，SI單位的量子化變革將全部完成。

　　如今，經(jīng)過(guò)50年孕育、發(fā)展和洗禮的銫原子時(shí)間頻率基準，也受到了新一代光鐘發(fā)起的挑戰。在人類(lèi)認知自己、認知自然的道路上，量子技術(shù)再一次成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。量子計量作為定義世界的標尺，也必將為人類(lèi)前行注入不竭動(dòng)力。

　　從歷史上看，國際單位制的每一次變革，皆會(huì )對國家科技、經(jīng)濟、社會(huì )等各個(gè)方面產(chǎn)生積極而深遠的影響。為此，中國計量科學(xué)研究院擬于8月31日上午在國家會(huì )議中心舉辦“從實(shí)物到量子??原子時(shí)誕生50周年”學(xué)術(shù)報告會(huì )，從不同維度詮釋計量從實(shí)物走向原子的演變過(guò)程和未來(lái)發(fā)展應用趨勢，為我國科學(xué)制定應對單位制變革的發(fā)展戰略提供有益的參考。

SI是什么？
　　SI單位是全球測量基礎，它們就像房屋的地基，如果地基不牢靠，房屋就可能倒塌。如果沒(méi)有正確地建立測量基礎，將會(huì )對所有依賴(lài)于測量基礎的其它事物產(chǎn)生負面影響。由于測量在科學(xué)、技術(shù)和我們的日常生活中無(wú)處不在，因此這些測量基礎十分重要。這些測量基礎給我們帶來(lái)信心。

　　我們完全信賴(lài)商店中食品標簽上顯示的重量，我們不會(huì )帶著(zhù)自己的秤去檢查他們是否可信??雖然這些重量由交易標準進(jìn)行規范，但是最終實(shí)現可信測量的是靠SI質(zhì)量單位這一基礎支撐。

　　SI是國際智慧和解決方案，是測量的通用語(yǔ)言。計量是全球各國與經(jīng)濟體的共同合作的舞臺。即將舉行的2018年國際計量大會(huì )將達成對SI變革的全球共識。

SI體系的制定
　　國際計量大會(huì )（CGPM）每4-6年舉行一次全部成員國派代表參加的大會(huì )。CGPM基于國際計量委員會(huì )（CIPM）的建議，接受、討論并認可關(guān)于SI的新進(jìn)展。

　　CIPM由CGPM提名的來(lái)自擁有較高科技地位國家的18位委員組成，每年舉行會(huì )議，并對關(guān)于SI的行政和技術(shù)事務(wù)提出建議。由58個(gè)成員國和41個(gè)附屬成員國代表通過(guò)多個(gè)委員會(huì )共同努力，為實(shí)現共同利益確保測量的相互間可比和一致。

　　國際計量局（BIPM）是位于法國塞夫勒的國際計量的中心，保存著(zhù)國際千克原器。BIPM為CGPM的成員國提供計量服務(wù)，并為CIPM出謀劃策，BIPM是以上這些機構的秘書(shū)處所在地，為國家或區域性計量機構提供協(xié)調服務(wù)，并為其組織正式會(huì )議。最初BIPM的主要計量任務(wù)是將各國的米和千克原器與定義SI的國際原器進(jìn)行定期比對和重新校準，如今它的主要角色是全球計量體系的中樞。

現行單位制面臨的兩大挑戰
　　1.依賴(lài)于現存的實(shí)物原器-國際千克原器（IPK）

　　許多測量都源自實(shí)物原器，比如米尺，但是IPK是目前僅存的定義某個(gè)測量單位的實(shí)物原器。

　　實(shí)物原器會(huì )發(fā)生變化，被損傷或毀壞。此外，想從世界的某個(gè)地點(diǎn)實(shí)現可靠溯源至IPK是一項艱巨的任務(wù)。從根本上而言，IPK的質(zhì)量很不穩定，并且從1889年起它就可能開(kāi)始產(chǎn)生未知的變化，但它卻仍然保持著(zhù)定義標準的地位。目前，全世界各國的國家千克原器需要定期運送到位于法國的IPK保存地BIPM，對其進(jìn)行重量比對。運送原器這一行為本身就會(huì )給各國的原器帶來(lái)風(fēng)險。

　　用其它更為基本和穩定的東西替代SI單位制中的最后一個(gè)實(shí)物原器（IPK）是近200年來(lái)SI單位制的夙愿，如今這一愿望即將實(shí)現。

　　2.SI單位定義和復現的組合

　　測量的兩個(gè)重要方面包括單位的定義（比如厘米）和用于測量的方法（比如用尺子）。如果將兩個(gè)概念分離，定義能夠保持穩定，同時(shí)在不需要對體系進(jìn)行重大修訂的情況下也能實(shí)現更完善的復現過(guò)程。

　　因此將定義建立在基本常數的基礎之上十分重要，由于常數不變，因此它們的數值和定義能夠在相當長(cháng)的時(shí)間內保持穩定。同時(shí)能夠鞏固SI單位，并將其從內部關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　SI單位修訂之后，將使用以下基本常數：
真空中的光速c =299 792 458 m s?1
普朗克常數h = 6.626 06X ?10?34 J s
基本電荷e = 1.602 17X?10?19 C
玻爾茲曼常數 kB = 1.380 6X?10?23 J K?1
阿伏伽德羅常數NA = 6.022 14X?1023 mol?1
頻率為540 ? 1012 Hz的單色光輻射的發(fā)光效率Kcd為683流明每瓦特

　　目前普朗克常數的測量方式基于SI單位，但是最終將根據吊桶天平和阿伏伽德羅實(shí)驗的結果確定一個(gè)固定數值。普朗克常數將被定義為6.626 06X?10?34焦耳秒，這反過(guò)來(lái)也定義了焦耳秒（J?s）這一單位。（X表示未知的最終數值）

　　使用不變的自然法則使我們能夠創(chuàng )造不變的測量規則。使用自然常數使我們能夠把最小的到最大的物理量關(guān)聯(lián)起來(lái)。將原子（和量子）尺度與那些宏觀(guān)層面的測量關(guān)聯(lián)在一起。這是變革的魅力所在。

　　變革標志著(zhù)重大進(jìn)展。如今科學(xué)進(jìn)步使我們能夠向更好的未來(lái)邁進(jìn)，同時(shí)還能保證實(shí)際用戶(hù)所需的延續性。SI重新定義將成為未來(lái)創(chuàng )新的跳板。