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計量與量值單位的新定義

發布時間:2017/07/07 點擊量:

計量是人們描述世界的基本尺度。在“米制公約”簽訂時,最初只設定了長度“米”和質量“千克”兩個計量單位,并且按照“米”和“千克”的定義,制作出統一量值的實物計量基準。不過,在“米制公約”之前,時間單位“秒”已經由物理學家和天文學家按照地球自轉周期給出了一個定義, 又稱天文時,即目前民間廣泛使用的格林威治時間。

在國際單位的七個基本物理量中,時間頻率計量基準的研究始終備受矚目。時間和空間是人類認知自然最古老、最基本的命題。時間描述周期運動,有兩個概念:時間間隔和時標。秒長和周期都是時間間隔,頻率是周期的倒數。規定公元起點,連續累積時間,比如2016年×月×日,這就是時標。日出而作,日落而息,人類對時間的認知起源于天文觀測。地球自轉一周,稱為一天,一天等分86400等于1秒,這就是天文秒。

到20世紀初,物理效應測量時間的穩定度超過了天文觀測。也就是說,盡管地球是一個巨大的質量,但它的運動速率仍然時快時慢。1967年,國際計量大會決定用原子秒取代天文秒,秒長定義為金屬銫133同位素(133Cs)基態兩個超精細能級躍遷輻射的9192631770個周期所需要的時間。原子秒長的穩定度比天文秒改善了數億倍。對比天文時,原子時是先定義秒長,然后“累積”86400秒,得到一天。那么,原子秒定義中9192631770這個數具體是怎么得來的呢?就像任何新事物都脫胎于舊事物一樣,當時的科學家用盡可能準確的天文時做“尺子”,在1個天文秒里,數出銫原子輻射振動了9192631770次。從此,原子時取代了天文時,時間由原子鐘產生。

新定義以“原子時”取代了早期的“天文時”,讓時間單位“秒”的準確度一下子提高了5~6個數量級。按照這個新國際計量基準, 準確度可以達到10-15量級,使計量基準的準確度達到了前所未有的高度。原子時比天文時更為準確,且不受地球公轉速度的影響。不過,因天文時仍被民間廣泛使用,所以目前國際上是以協調時的方法來對兩者間的誤差進行折衷。近年來,法國、美國等國家又相繼公布了其最新研究成果,已經研制出更加準確的時間頻率基準,準確度預期可以達到10-18量級。如果新的原子鐘被國際認可,“秒”的定義在歷經半個世紀后或將再次被改寫。

量子計量基準的發明和使用,促進了科學技術的進步,引發了一浪高過一浪的科技與產業革命。它加快了經濟全球化的進程,使全球間貿易往來更加活躍,也為中國等一大批新興經濟體國家帶來了經濟發展的奇跡。它為技術創新帶來了巨大的發展空間,培育并造就出包括納米、生物、衛星導航、3D打印、機器人等一大批高新技術和產業。它使人們的衣、食、住、行都得到巨大改善,健康水平不斷提高,人類的平均壽命不斷延長。它使人類在預防和抵御自然災害、保護生態環境、合理利用能源資源等方面的水平進一步提高。可以預見,在2020年前后國際基本量單位再一次改寫定義之后,整個世界必將隨之發生驚人的、革命性的改變。

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