張鐘華：國際計量單位制的重大技術變革

　　《質檢科技創新“十三五”規劃》對未來5年質檢科技創新做了系統謀劃和前瞻布局，其中“大力提升參與國際競爭的技術能力”任務中明確部署了“提升計量科技國際競爭力”專欄。國際單位制的重大技術變革是計量科技提升國際競爭力的重要機遇與挑戰，是國家質量技術基礎升級換代與快速發展的主要驅動力，將對各國的經濟、科技、社會等各方面產生深刻影響。

　　國際單位制（SI）是全球統一的計量單位制，是構成國際計量體系的基石。目前的國際單位制中，有時間、長度、質量、電流、溫度、光度和物質的量7個最基本的計量基準。特別是1875年第一次國際計量大會后，各國開始建立世界統一的、以經典物理學為基礎、以實物為基準的國際單位制及準確的計量基準，為統一全世界的計量標準起了很好的作用。

　　但是，20世紀以來量子科學的飛速發展，提供了可以建立更準確的計量基準的手段。例如人們發現一些原子在能級變化時發出的光譜譜線，其頻率的穩定度遠遠優于原來用地球運動定義的頻率穩定度，最穩定的原子譜線可以達到10-18量級甚至更高的穩定度。如用這樣的譜線頻率來定義時間單位的計量基準，其穩定度比原來用地球運動定義的時間計量基準高出了十來個數量級。所以國際計量大會在1968年已通過改用銫原子同位素能級變化時的一根譜線的頻率來定義時間的國際計量基準“秒”，使得時間計量基準的穩定性大幅度提高。另一方面，許多基本物理常數在實驗中表現出是不變的。所以用基本物理常數來定義計量基準也可達到極高的穩定性。作為典型的例子，光在真空中的傳播速度c就是一個大家熟知的基本物理常數。許多實驗及天文觀察證實，真空中的光速是不變的。所以長度的計量基準“米”的定義也改為（1/299792458）秒中光在真空中的傳播距離。這樣定義的長度計量基準原則上可以達到與時間基準相當的穩定度。20世紀60年代至80年代發現的“約瑟夫森效應”和“量子化霍爾效應”（兩種新效應的發現者均獲得了諾貝爾物理學獎）則給了我們定義電流的計量量子基準的手段，也可以達到10-10量級或更高的穩定度。在溫度、光度、質量、物質量方面，各國也都在努力建立穩定性極高的新型計量基準。

　　“十二五”期間，我國在國際單位制變革中，已進行先期布局，突破了一些關鍵技術，部分成果進入了國際領先行列，但是部分參數的測量結果與國際一流水平仍有較大差距：如德國在有關千克重新定義的阿伏伽德羅常數測量方面世界領先；美國研制的下一代時間頻率基準光鐘的準確度已達50億年僅差1秒。我國尚未建立起以量子物理為基礎的新一代計量基標準裝置和完整的量值傳遞體系。

　　“十三五”期間，我國應抓住國際單位制變革的重大機遇，深入落實創新驅動發展戰略，應對國際單位制（SI）基本單位重新定義的重大變革，高準確地測定普朗克常數、玻爾茲曼常數和精細結構常數等，全力推進基本物理常數的精密測定，不斷提升測量結果的準確度，在國際單位制變革中占據更大的權重，構建出以量子基準為核心的新一代計量基標準體系，在國際計量界確立中國的先進地位，進一步夯實國家質量技術基礎，全面支撐我國創新驅動戰略和質量強國戰略。