科技創(chuàng)新離不開計量科學(xué)的發(fā)展

著人類社會的發(fā)展，很早就已經(jīng)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(dāng)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(xiàn)代制造業(yè)的逐步發(fā)展，制造產(chǎn)品的數(shù)量大幅提升，國內(nèi)及國際貿(mào)易快速發(fā)展對計量工作提出了越來越高的要求。現(xiàn)代化的各種產(chǎn)品都要經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)量具”。檢測結(jié)果就是這些“標(biāo)準(zhǔn)量具”測量得出的。為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，儀器的“標(biāo)準(zhǔn)量具”每隔一定時間要用“計量標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行“檢定”，考察“標(biāo)準(zhǔn)量具”的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

“計量標(biāo)準(zhǔn)”有很多種類。經(jīng)過科學(xué)家的長期研究，最基本的“計量標(biāo)準(zhǔn)”有7種，稱為“計量基準(zhǔn)”。即“時間-頻率基準(zhǔn)”“長度基準(zhǔn)”“質(zhì)量基準(zhǔn)”“電流基準(zhǔn)”“溫度基準(zhǔn)”“光度基準(zhǔn)”和“物質(zhì)量基準(zhǔn)”。

一個國家最高準(zhǔn)確度的“計量基準(zhǔn)”保存在國家計量機(jī)構(gòu)中。各個地方上也有計量機(jī)構(gòu)，對地方廠商的儀器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“測量”，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格。每隔一段時間，地方計量機(jī)構(gòu)就要請國家計量機(jī)構(gòu)對他們所用的“計量標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行“檢定”。檢定后，地方計量機(jī)構(gòu)就用新得到的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對地方上廠家的儀器進(jìn)行“測量”。這樣的周期一般為一年。特殊情況按實(shí)際要求確定。

現(xiàn)代的國際產(chǎn)品貿(mào)易發(fā)達(dá)。為保證各國的“計量基準(zhǔn)”給出的數(shù)據(jù)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(wěn)定的 “計量基準(zhǔn)”。一定時間后，各國會把本國的“計量基準(zhǔn)”送到“國際計量局”進(jìn)行比對。這樣，國際貿(mào)易中因產(chǎn)品質(zhì)量而發(fā)生的糾紛就會大大減少。

因此，計量工作對現(xiàn)代化的生產(chǎn)和貿(mào)易非常重要。各國政府均成立了自己的國家計量機(jī)構(gòu)，并定期把自己國家的“計量基準(zhǔn)”與“國際計量局”的“計量基準(zhǔn)”進(jìn)行比對，這對該國的產(chǎn)品生產(chǎn)起著非常重要的作用。

在20世紀(jì)60年代以前，各國的“國家計量基準(zhǔn)”以及“國際計量局”保存的“計量基準(zhǔn)”都是精工細(xì)作的“實(shí)物基準(zhǔn)”。例如“鉑銥合金刻線尺”“鉑銥合金砝碼”“標(biāo)準(zhǔn)電池組”“標(biāo)準(zhǔn)電阻組”等。這些“實(shí)物基準(zhǔn)”的問題就在于它們是“實(shí)物”。隨著時間的推移，這些“實(shí)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(zhǔn)”所復(fù)現(xiàn)的量值向“國際計量局”看齊，但“國際計量局”保存的也是“實(shí)物基準(zhǔn)”，隨著時間的推移其量值不可能保持不變。實(shí)際上問題并沒有從根本上解決。

20世紀(jì)量子科學(xué)的發(fā)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(jì)50年代之前，“時間-頻率計量標(biāo)準(zhǔn)”是用天文觀測地球繞太陽的運(yùn)動建立的。經(jīng)過大量的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)銫原子的一種同位素“133銫原子”受激后發(fā)出的一根譜線，頻率特別穩(wěn)定。其不穩(wěn)定度可小于10-13~10-14數(shù)量級。基于這樣的譜線制成的“時間-頻率計量標(biāo)準(zhǔn)”稱為“原子鐘”，比用天文觀測建立的“時間-頻率計量標(biāo)準(zhǔn)”的穩(wěn)定度高出很多數(shù)量級。20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)”。

在“長度計量標(biāo)準(zhǔn)”方面，依靠量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，亦迅速跟上了步伐。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)明了波長特別穩(wěn)定的“激光”。根據(jù)愛因斯坦的“相對論”，光在真空中的運(yùn)動速度c0是個不變的常量。這樣，測出了穩(wěn)定激光的頻率，就可以用光速c0求出其波長的數(shù)值。其不確定度也可以小到10-13數(shù)量級。用這樣的方法建立的“量子長度計量標(biāo)準(zhǔn)”，比原來用“鉑銥合金刻線尺計量標(biāo)準(zhǔn)”的準(zhǔn)確性也高出了很多個數(shù)量級。

在“電學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)方面”，也有相似的情況。1962年，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“約瑟夫森效應(yīng)”。根據(jù)該理論可制成“約瑟夫森結(jié)”。把這種結(jié)放在高頻電磁場中，“約瑟夫森結(jié)”上會出現(xiàn)正比于電磁場頻率的電壓，比例系數(shù)是常量（2e0/h）的整數(shù)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(jié)”就可制成極為穩(wěn)定的“量子電壓計量標(biāo)準(zhǔn)”，其穩(wěn)定度比原來用“標(biāo)準(zhǔn)電池”建立的“實(shí)物電壓計量標(biāo)準(zhǔn)”高出了4~5個數(shù)量級。1980年，德國科學(xué)家“馮·克里青”發(fā)現(xiàn)了“量子化霍爾效應(yīng)”，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(qiáng)磁場中，由于量子效應(yīng)，其“霍爾電壓”與電流的關(guān)系曲線上會出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)”與“量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)”結(jié)合起來，還可以得到“量子電流計量標(biāo)準(zhǔn)”。

在“溫度計量標(biāo)準(zhǔn)”方面。原“溫度計量標(biāo)準(zhǔn)”是用“純水的三相點(diǎn)溫度”作為標(biāo)準(zhǔn)。但隨著測量準(zhǔn)確度越來越高，發(fā)現(xiàn)用不同地方所取得的水提純后得到的“純水”的“三相點(diǎn)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(dǎo)出“溫度計量標(biāo)準(zhǔn)”，復(fù)現(xiàn)性和測量準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)”方面得到了很好的應(yīng)用。

綜上所述，“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”其主要的優(yōu)點(diǎn)是：一方面，由它們所定義的計量標(biāo)準(zhǔn)量值不會隨時間推移而發(fā)生變化。這樣就解決了用“實(shí)物計量標(biāo)準(zhǔn)”時最大的難點(diǎn)；另一方面，采用“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”后，測量的不確定度均變小，這對現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和提高都有很好的作用。所以，從“實(shí)物計量標(biāo)準(zhǔn)”到“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”，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(shí)物計量標(biāo)準(zhǔn)”，而改用“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”。

“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”的研制難度很高。一些先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)”，就只能把本國原來的“計量基準(zhǔn)”送到已研制成“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”的國家去比對，喪失了獨(dú)立性。中國目前已是產(chǎn)業(yè)大國，投入大量人力、財力研制中國自己的“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”。目前，中國主要的“量子計量標(biāo)準(zhǔn)”已經(jīng)陸續(xù)研制成功，水平居國際先進(jìn)行列。

中國的計量科學(xué)要走獨(dú)立自主的道路，我們有這個實(shí)力，也有這個能力。計量科學(xué)的核心在“準(zhǔn)”，而“準(zhǔn)”就必須嚴(yán)謹(jǐn)，計量科技工作者也要有相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)和生活態(tài)度。探索求真，理性實(shí)證，質(zhì)疑創(chuàng)新，實(shí)踐獨(dú)立是科學(xué)精神的內(nèi)涵，只有把用于探索的精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)相結(jié)合，才有可能在科學(xué)的道路上有所發(fā)現(xiàn)、有所前進(jìn)。

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(jié)日快樂！希望中國的科技工作者弘揚(yáng)科學(xué)報國的光榮傳統(tǒng)，追求真理、勇攀高峰的科學(xué)精神，勇于創(chuàng)新、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，把個人理想自覺融入國家發(fā)展偉業(yè)，在科學(xué)前沿孜孜求索，在重大科技領(lǐng)域不斷取得突破。(張鐘華 中國計量科學(xué)研究院)

學(xué)習(xí)了！謝謝

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