科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子

2023年9月29日09:22:37Comments Off on 科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子 670
科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子

活动现场

 

2023年9月9日上午,清华大学科学博物馆沙龙第34期《计量技术的发展:从实物到量子》在清华大学蒙民伟人文楼B206举办。在展览“不可限量——认识世界的种种维度”闭幕前夕,清华大学科学博物馆特别邀请到清华大学精密仪器系长聘副教授冯焱颖为观众呈现展览的压轴讲座《计量技术的发展——从实物到量子》。冯焱颖老师从大量的研究实例、历史文献入手,为大家讲解了计量技术的发展历史,包括我国的计量发展史、米制公约和国际单位制的建立和发展、计量基准从实物基准向量子基准过渡、计量技术国际一体化等,以及计量科学在国计民生和科学研究中的重要作用。讲座得到线上线下观众的热烈好评。本期沙龙由清华大学科学博物馆事业发展部负责人、馆长助理范爱红主持。来自清华大学精密仪器系等院系师生、清华园社区的中小学生及家长以及中国计量测试学会的青年科研工作者等来到科博参加了线下活动。以下文字根据冯焱颖老师讲座录音整理而成,并经作者审核后发表。

 

科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子

主持人、清华大学科学博物馆馆长助理、事业发展部负责人范爱红

科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子

第34期科博沙龙主讲人、清华大学精密仪器系长聘副教授冯焱颖

【以下文字根据冯焱颖老师讲座录音整理而成,并经作者审核后发表。】

 

什么是计量?

测量是将被测的量与作为标准的量进行比较的过程。计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。计量属于测量,但高于一般的测量。计量不仅要有技术,还要有监督和管理,需要形成国家计量体系,这正是计量和测量的不同之处。

计量具有以下基本特征:准确性、一致性、溯源性、法制性、广泛性。对计量来说,准确性是最重要的,是计量的核心所在。正是为了实现计量的准确,我们的计量技术才得以不断地发展。一致性是计量最本质的特征,计量必须全国一致乃至全球一致,才能够进行横向的比较。溯源是计量保障的方法和途径,只有通过纵向从底层到最顶层进行溯源,才可能实现横向的比较。立法也是重要的保障手段,需要通过法律手段对计量标准进行监督管理。计量涉及范围非常广泛,体现在我们衣食住行和国民经济等各个方面。如果没有计量或者没有标准,我们的日常生活会受到非常严重的影响。

计量工作的内容包括以下方面:计量(测量)单位和单位制;计量器具(实现或复现计量单位的计量基准、标准和工作计量器具);量值传递与量值溯源(检定、校准、测试、检验与检测);物理常量、材料与物质特性的测定;不确定度、数据处理与测量理论及其方法;计量管理、计量保证与计量监督等。

 

我国计量发展史

计量历来是国家权力体系的一部分,是国家权力的象征。我国早期计量称为“度量衡”,计量长短用的器具称为度,测定计算容积的器皿称为量,测量物体轻重的工具称为衡。“布指知寸,布手知尺,舒肘为寻”,人们最早以身体尺寸来做度量衡的标准,但此标准有因人而异的弊病。尧舜禹时期,人们开始以名人为标准进行单位的统一,出现了最早的法定单位。春秋战国时期,群雄并立,各国度量衡大小不一,量具名称也各不相同,甚至诸侯国内部单位也不统一。秦朝开始推行统一的度量衡,而且建立了度量衡管理制度,严格规定度量衡器必须由国家政权机关负责监制,并在每年的2月、8月对全国度量衡器进行定期检定。秦朝统一度量衡的举措对后世产生了深远影响,此后历代王朝更替都要重新考校、指定度量衡标准,颁发标准器具。

汉代是中国度量衡发展成熟的重要阶段。汉承秦制,建立“黄钟累黍,因律定则”的度量衡理论体系,“黄钟累黍”理论摒弃了原先的以人体或某一特定人造物为基准的传统,将音律作为测量标准,深刻影响了中国历代度量衡制度,以后历朝历代大都沿袭汉制。隋代确立了大小制并行的度量衡制度,并延用至清朝前期。明清两代采用营造、库平度量衡制,随着欧洲的计量制度、仪器等传入中国,传统度量衡逐渐向近代转变。

民国时期,民国政府公布了度量衡法,规定采用“万国公制”为标准制,并暂设辅制“市用制”作为过渡。中华人民共和国成立以后,我国计量逐渐与世界接轨。1959年,国务院颁布《关于统一计量制度的命令》确定国际公制为法定计量单位,对暂时仍在使用的市制单位一律采用十进制,将一斤十六两改为一斤十两,“半斤八两”成为历史;1977年我国加入国际米制公约;1985年《中华人民共和国计量法》颁布,市制计量单位被废除,以米制为核心的法定计量单位成为我国唯一合法的计量单位。

 

国际计量体系的形成与发展

最早人类使用自然物为度量的标准,如一指等。这些自然物随人随物而异,不足为精确标准。后来为了满足建筑、铸造等较精确要求,有人为的标准物产生。最早有记载的人为标准物是四千九百年前埃及的古辜法老王制定的长度测量标准库比特。现代计量科学的发展起源于贸易交换,正因为17-18世纪各国间贸易交换的需求,现代计量才实际发展起来。在工业革命时代,测量的精度不断提高。二战之后,随着国防和科技的发展,测量精度要求也越来越高,计量学得以快速发展。

1790年5月8日,法国政府颁布法令,建立米制以解决当时计量单位的混乱问题,米制的创始者十分明智地确定将新的计量单位制建立在自然标准上,选择了十进单位制。其长度单位为米,质量单位为千克。1875年3月1日,应法国政府的邀请,20个国家的代表在巴黎举行了米制外交大会。在会议中,产生了“米制公约”,17个国家的代表在公约上签了字。《米制公约》的签订促进了各国计量制度的走向统一,标志了现代计量学的初步建立。1889年,第一届国际计量大会,批准了米和千克的国际原器分别作为长度和质量单位的基准,从此米制成为一种国际性计量制度。米和千克的国际原器用实物来定义、复现计量单位,这种计量基准实际是有缺陷的,由于物理、化学影响等,实物器具随时间有磨损,测量基准会产生变化。

1960年第十一届国际计量大会通过,推荐各国采用国际单位制(SI),逐渐形成以米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎德拉7个单位为基本单位的计量体系。

 

国际单位制SI的量子化

随着量子物理学的建立,科学家认识到原子内电子能级间的特征跃迁频率,具有比天文现象高得多的稳定度,更不易受到外界的干扰,更适合作为时间标准。1967年,第13届国际计量大会通过了基于铯原子跃迁的新的秒定义,即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。这是秒的第一个量子化定义,至此,“原子秒”取代了“天文秒”。

随着秒定义的量子化,“时间”成为准确度最高、应用最广的物理量,其不确定度远远低于其他基本单位数个量级,使得时间单位“秒”成为国际单位制7个基本单位中最准确和最基础的。秒定义的量子化直接改变了长度基本单位米的定义,1983年国际计量大会将米重新定义为:真空中光在1/299792458秒时间间隔传播的距离。将真空光速定义为普适常数,没有误差,长度基准完成了由自然基准向基本物理常数定义基本单位的过渡。

除长度外,许多其他物理量转化为时间频率来测量可提高测量准确度,这使得在计量领域,时间频率计量成为保证许多测量量值准确可靠的基础。目前,时间频率最典型的应用就是卫星导航定位。正是由于精密时间频率测量,才构造出当今世界人类处处依赖的定位精度可达米级乃至厘米级的卫星导航定位系统。

2018年,第26届国际计量大会通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。国际测量体系有史以来第一次全部建立在不变的常数上,保证了国际单位制(SI)的长期稳定性和全球通用性。决议于2019年5月20日施行。

 

计量技术国际一体化

“国家计量基标准与国家计量院签发的校准和测量证书的互认”, 简称互认协议 (MRA)。它是指通过开展国家计量标准的国际比对,证明国家计量标准的国际等效,从而实现对国家计量院签发的校准和测量证书的国际互认。计量的国际互认有利于促进全球的贸易以及计量的全球化。截至目前,中国计量院获得国际互认的校准和测量能力(CMC)达到1864项,位列国际前列,展示了我国计量科技的实力。

 

计量的地位与作用

从人类文明的最早期到现在,计量一直是社会三大支柱(法律、货币、计量)之一。计量与我们的日常生活息息相关,没有计量,我们无法安全而可靠地发现、设计、搭建、测试、制造、维修、证明、购买或者操作任何事情。日常琐碎的服务网、供应商、通信都依赖于计量的高效与可靠,例如:国家经济的成功依赖精确制造、测试和交易产品与部件的能力;卫星导航系统和国际时间的关联使得精确定位成为可能,使得全世界计算机可以组网,允许飞机在可见度差的环境下降落;人类健康依赖于精确地诊断,其中可靠测量发挥的作用日益重要;消费者需要了解加油油泵显示的加油量等等。

计量支撑国家竞争力。计量、标准化和合格评定是未来世界经济可持续发展的三大支柱己成为全球共识。计量和实物标准提供了准确测量的基础;而其公认的性能指标可以写入国际标准;国际标准又作为合格评定的基础,三者紧密结合,构成建设国家技术基础设施的重要知识支撑,进而保证各国的可持续发展和充分参与全球贸易。

计量与测量活动解决了科学研究中的许多重要问题,计量学科一直是科学的最前沿。以诺贝尔奖为例,多个诺贝尔奖得主来自计量领域,过去50年中,诺贝尔奖先后17次授予了和计量相关的成就。例如,朱棣文等三人在发展用激光冷却并俘获原子方法方面所作的贡献获得1997年诺贝尔物理学奖;约翰·霍尔等三人因对基于原子物理和量子光学的精密测量技术的发展作出的贡献,共同获得2005年诺贝尔物理学奖。这两项成果都应用于时间频率基准装置“铯原子喷泉钟”以及长度基准的建立。

随着全球化的进程和科技的快速发展,计量在社会中将扮演更重要的角色。21世纪,计量将在SI基础上继续与经济、科技、政治等发展紧密结合;将在技术创新、工业竞争力、经济增长、国家安全高技术工业化、国际贸易竞争力和综合国力增强方面成为基础支撑并为之提供技术支撑;将继续追踪高准确度,扩展测量范围,拓展研究领域,寻找新用户群体。

 

科博沙龙回顾N0.34| 冯焱颖:计量技术的发展——从实物到量子

观众与主讲人互动

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集体合影留念

 

【供稿:尹菱;摄影:孙德利】

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