科技創新離不開計量科學的發展

著人類社會的發展，很早就已經有了對“計量工作”（古時稱為“度量衡”）的要求，如“丈量各種物品的大小（包括丈量土地）”“稱量物品的輕重”等。但當時對“計量工作”的管理主要是行政方面，科技含量并不高。

隨著現代制造業的逐步發展，制造產品的數量大幅提升，國內及國際貿易快速發展對計量工作提出了越來越高的要求。現代化的各種產品都要經過性能檢測才能判斷是否合格，能否投入市場。用于性能檢測的儀器配備有該儀器的“標準量具”。檢測結果就是這些“標準量具”測量得出的。為保證檢測結果的準確性，儀器的“標準量具”每隔一定時間要用“計量標準”進行“檢定”，考察“標準量具”的準確性和穩定性。

“計量標準”有很多種類。經過科學家的長期研究，最基本的“計量標準”有7種，稱為“計量基準”。即“時間-頻率基準”“長度基準”“質量基準”“電流基準”“溫度基準”“光度基準”和“物質量基準”。

一個國家最高準確度的“計量基準”保存在國家計量機構中。各個地方上也有計量機構，對地方廠商的儀器標準進行“測量”，以保證產品的質量合格。每隔一段時間，地方計量機構就要請國家計量機構對他們所用的“計量標準”進行“檢定”。檢定后，地方計量機構就用新得到的數據作為依據，對地方上廠家的儀器進行“測量”。這樣的周期一般為一年。特殊情況按實際要求確定。

現代的國際產品貿易發達。為保證各國的“計量基準”給出的數據一致，國際上，1875年在法國巴黎成立了“國際計量局”，其中保存著最穩定的 “計量基準”。一定時間后，各國會把本國的“計量基準”送到“國際計量局”進行比對。這樣，國際貿易中因產品質量而發生的糾紛就會大大減少。

因此，計量工作對現代化的生產和貿易非常重要。各國政府均成立了自己的國家計量機構，并定期把自己國家的“計量基準”與“國際計量局”的“計量基準”進行比對，這對該國的產品生產起著非常重要的作用。

在20世紀60年代以前，各國的“國家計量基準”以及“國際計量局”保存的“計量基準”都是精工細作的“實物基準”。例如“鉑銥合金刻線尺”“鉑銥合金砝碼”“標準電池組”“標準電阻組”等。這些“實物基準”的問題就在于它們是“實物”。隨著時間的推移，這些“實物”所保存的量值總會有一些變化。即使各國都把本國的“國家計量基準”所復現的量值向“國際計量局”看齊，但“國際計量局”保存的也是“實物基準”，隨著時間的推移其量值不可能保持不變。實際上問題并沒有從根本上解決。

20世紀量子科學的發展，為解決上述問題找到了新的出路。

在“時間-頻率計量”方面。20世紀50年代之前，“時間-頻率計量標準”是用天文觀測地球繞太陽的運動建立的。經過大量的量子科學實驗研究，證實銫原子的一種同位素“133銫原子”受激后發出的一根譜線，頻率特別穩定。其不穩定度可小于10-13~10-14數量級。基于這樣的譜線制成的“時間-頻率計量標準”稱為“原子鐘”，比用天文觀測建立的“時間-頻率計量標準”的穩定度高出很多數量級。20世紀60年代，國際計量大會就決定改用“133銫原子鐘”作為“時間-頻率計量標準”。

在“長度計量標準”方面，依靠量子科學實驗，亦迅速跟上了步伐。20世紀60年代，科學家發明了波長特別穩定的“激光”。根據愛因斯坦的“相對論”，光在真空中的運動速度c0是個不變的常量。這樣，測出了穩定激光的頻率，就可以用光速c0求出其波長的數值。其不確定度也可以小到10-13數量級。用這樣的方法建立的“量子長度計量標準”，比原來用“鉑銥合金刻線尺計量標準”的準確性也高出了很多個數量級。

在“電學計量標準方面”，也有相似的情況。1962年，英國科學家發現了“約瑟夫森效應”。根據該理論可制成“約瑟夫森結”。把這種結放在高頻電磁場中，“約瑟夫森結”上會出現正比于電磁場頻率的電壓，比例系數是常量（2e0/h）的整數倍。其中e0是“基本電荷量”，h 是“普朗克常量”，這兩者都是不變的“基本物理常量”。因此，用“約瑟夫森結”就可制成極為穩定的“量子電壓計量標準”，其穩定度比原來用“標準電池”建立的“實物電壓計量標準”高出了4~5個數量級。1980年，德國科學家“馮·克里青”發現了“量子化霍爾效應”，例如把“砷化鎵”（也可以是別的合適材料）制成的“霍爾器件”放在強磁場中，由于量子效應，其“霍爾電壓”與電流的關系曲線上會出現一系列不同尋常的平臺。平臺處的“ 霍爾電阻”為RH =（h/i e02，i=1，2，3……）。這樣得到的“量子化霍爾電阻”也是只取決于“基本物理常量h 和e0 ”，不確定度極小，且不會隨時間的推移而漂移。將上述的“約瑟夫森量子電壓計量標準”與“量子化霍爾電阻標準”結合起來，還可以得到“量子電流計量標準”。

在“溫度計量標準”方面。原“溫度計量標準”是用“純水的三相點溫度”作為標準。但隨著測量準確度越來越高，發現用不同地方所取得的水提純后得到的“純水”的“三相點溫度”有微小的差別。近年來也改用基本物理常量之一——“波爾茲曼常量k”來導出“溫度計量標準”，復現性和測量準確度都有了大幅度的提高。

其它的一些基本物理常量，如“阿伏加得羅常量NA”等也都在建立新的“量子計量標準”方面得到了很好的應用。

綜上所述，“量子計量標準”其主要的優點是：一方面，由它們所定義的計量標準量值不會隨時間推移而發生變化。這樣就解決了用“實物計量標準”時最大的難點；另一方面，采用“量子計量標準”后，測量的不確定度均變小，這對現代產業的迅速發展和提高都有很好的作用。所以，從“實物計量標準”到“量子計量標準”，是計量科技水平的一次大幅度提升。

2018年的國際計量大會上做出了決議，要求各國從2019年5月20日（國際上把每年的5月20日定為“國際計量日”）起不再用以前的“實物計量標準”，而改用“量子計量標準”。

“量子計量標準”的研制難度很高。一些先進國家都在這一方面投入了很大力量。若一個國家沒有研制成“量子計量標準”，就只能把本國原來的“計量基準”送到已研制成“量子計量標準”的國家去比對，喪失了獨立性。中國目前已是產業大國，投入大量人力、財力研制中國自己的“量子計量標準”。目前，中國主要的“量子計量標準”已經陸續研制成功，水平居國際先進行列。

中國的計量科學要走獨立自主的道路，我們有這個實力，也有這個能力。計量科學的核心在“準”，而“準”就必須嚴謹，計量科技工作者也要有相當嚴謹的治學和生活態度。探索求真，理性實證，質疑創新，實踐獨立是科學精神的內涵，只有把用于探索的精神和嚴謹的作風相結合，才有可能在科學的道路上有所發現、有所前進。

2020年是第4個全國科技工作者日，我向廣大的科技工作者致敬，祝所有科技工作者節日快樂！希望中國的科技工作者弘揚科學報國的光榮傳統，追求真理、勇攀高峰的科學精神，勇于創新、嚴謹求實的學術風氣，把個人理想自覺融入國家發展偉業，在科學前沿孜孜求索，在重大科技領域不斷取得突破。(張鐘華 中國計量科學研究院)

學習了！謝謝

學習了，謝謝！

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