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计量与量值单位的新定义

摘要：计量是人们描述世界的基本尺度。在“米制公约”签订时，最初只设定了长度“米”和质量“千克”两个计量单位，并且按照“米”和“千克”的定义，制作出统一量值的实物计量基准。

计量是人们描述世界的基本尺度。在“米制公约”签订时，最初只设定了长度“米”和质量“千克”两个计量单位，并且按照“米”和“千克”的定义，制作出统一量值的实物计量基准。不过，在“米制公约”之前，时间单位“秒”已经由物理学家和天文学家按照地球自转周期给出了一个定义， 又称天文时，即目前民间广泛使用的格林威治时间。

在国际单位的七个基本物理量中，时间频率计量基准的研究始终备受瞩目。时间和空间是人类认知自然最古老、最基本的命题。时间描述周期运动，有两个概念：时间间隔和时标。也缺少新的设计标准秒长和周期都是时间间隔，频率是周期的倒数。规定公元起点，连续累积时间，比如2016年×月×日，这就是时标。日出而作，日落而息，人类对时间汽车天线的认知起源于天文观测。地球自转一周，称为一天，一天等分86400等于1秒，这就是天文秒。

到20世纪初，物理效应测量时间的稳定度超将石墨烯引入碳纤维复合材料界面层过了天文观测。也就是说，尽管地球是一个巨大的质量，但它的运动速率仍然时快时慢。1967年，国际计量大会决定用原子秒取代天文秒，秒长定义为金属铯133同位素（133其表示式为：质量磨损量=试样原始尺寸—磨损后尺寸Cs）基态两个超精细能级跃迁辐射的个周期所需要的时间。原子秒长的稳定度比天文秒改善了数亿倍。对比天文时，原子时是先定义秒长，然后“累积”86400秒，得到一天。那么，原子秒定义中这个数具体是怎么得来的呢？就像任何新事物都脱胎于旧事物一样，当时的科学家用尽可能准确的天文时做“尺子”，在1个天文秒里，数出铯原子辐射振动了次。从此，原子时取代了天文时，时间由原子钟产生。

新定义以“原子时”取代了早期的“天文时”，让时间单位“秒”的准确度一下子提高了5——6个数量级。按照这个新国际计量基准， 准确度可以达到量级，使计量基准的准确度达到了前所未有的高度。原子时比天文时更为准确，且不受地球公转速度的影响。不过，因天文时仍被民间广泛使用，所以目前国际上是以协调时的方法来对两者间的误差进行折衷。定位装置近年来，法国、美国等国家又相继公布了其最新研究成果，已经研制出更加准确的时间频率基准，准确度预期可以达到量级。如果新的原子钟被国际认可，“秒”的定义在历经半个世纪后或将再次被改写。

历史上，计量基本单位的每一次重新定义，往往是一次技术大变革的开始，而且会产生持久且深远的影响。1960年，国际上首次用量子自然基准来定义光波长度基准。此后的半个多世纪里，整个世界的测量水平以及测量准确度都获得空前的提高。

量子计量基准的发明和使用，促进了科学技术的进步，引发了一浪高过一浪的科技与产业革命。它加快了经济全球化的进程，使全球间贸易往来更加活跃，也为中国等一大批新兴经济体国家带来了经济发展的奇迹。它为车载电源技术创新带来了巨大的发展空间，培育并造就出包括纳米、生物、卫星导航、3D打印、机器人等一大批高新技术和产业。它使人们的衣、食、住、行都得到巨大改善，健康水平不断提高，人类的平均寿命不断延长。它使人类在预防和抵御自然灾害、保护生态环境、合理利用能源资源等方面的水平进一步提高。可以预见，在2020年前后国际基本量单位再一次改写定义之后，整个世界必将随之发生惊人的、革命性的改机床主轴变。