测量在科学、技术和日常生活中无处不在。国际单位制(SI)是测量中通用的语言,是人类共同努力的结果和全球普适的方法,是世界计量体系的根基,如同高楼大厦的地基一样,测量的基础坚实与否,将直接影响宏伟的测量“大厦”的稳定与发展。SI的产生和发展极大增强了人类社会进步的信心。

一 SI重新定义的内容

      建立在7个基本单位,即秒(s)、米(m)、千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)和坎德拉(cd)之上的SI正面临着重要的变革。2018年11月13日至16日,第26届国际计量大会(CGPM)将在法国凡尔赛举行,会上有可能通过对千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)4个基本单位的重新定义,新的SI预计将于2019年5月20日起正式实施。为了这一目标,国际计量组织和各国国家计量院开展了有效的合作,历经长期艰苦的努力。2011和2014年的国际计量大会分别通过了以基本常数来定义SI基本单位的决议。2017年10月第106届国际计量委员会(CIPM)会议上,委员们一致认为,全面实现SI量子化重新定义的条件已经基本具备,并决定向第26届CGPM提交决议草案,4个基本单位的重新定义工作进入倒计时。具体而言,在重新修订的SI中,千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)这4个基本单位将全部采用基本物理常数来定义,分别以普朗克常数(h)、基本电荷(e)、玻尔兹曼常数(k)和阿伏伽德罗常数(NA)的固定数值来实现新的定义。此外,全部7个基本单位的定义还将统一采用常数公式的方式来表述,并分别制定misesenpratique来解释每一个基本单位定义的实际复现方法。这一变革将使人类抛弃目前唯一仅存的用于定义千克(kg)的实物量具——国际千克原器,标志着整个SI进入更简洁、更基础的常数定义时代。

二 SI重新定义的意义

      1.利用自然的法则建立测量的规则

      SI是测量的基石,须经久稳定。很多领域的测量都始于实物原器,例如米尺,目前仅有国际千克原器仍用于定义SI单位。摆脱对实物原器的依赖,代之以更基础、更稳定的体系,这是人类200多年来的愿望。2018年即将进行的SI重新定义,将实现这一目标。

      测量涉及两个重要的方面:一是单位的定义(例如厘米);二是实际的测量方法(例如尺子)。如果可以将这两个概念分开来,就能够保持单位定义的稳定而不断地改进复现的过程,从而不会给单位制本身带来重大的影响。在此,基于基本物理常数的单位定义将发挥关键作用。由于基本物理常数的数值恒定不变,基于常数的单位定义就将保持稳定,但随着科技的进步,用来复现单位的程序将不断得以改进和发展。例如,安培(A)的新定义将基于电子的基本电荷,这是自然界中的一个基本常数。安培定义的复现过程可以是数通过导线的电子的个数,而每一个电子的带电量都精确地相同,均为基本电荷。因此,随着电子计数能力的提高,复现安培定义的计量标准的准确度将不断得以提升,而定义本身不会产生任何变化。

      利用自然界中不变的常数来定义测量单位,将有望实现从极小量到极大量全范围的准确测量。在诸如质量和温度等领域,原子(或量子)尺度的测量将与宏观层面的测量直接关联起来,而过去这种关联只能通过间接的方法来实现,准确度也更低。这是SI变革带来的重要影响之一。

      重新定义SI的目标是使我们的系统永不过时。SI单位是我们所测量的各个量的基础,我们希望能够确保这些基础在未来永不坍塌。通常,系统在承受无法预见的压力时可能发生坍塌。对测量系统来说,压力来自于越来越高的准确度需求,或者是对单位初始定义时从未考虑过的极限值的测量要求。国际计量界已经对SI的重新定义开展了历时几十年的密集研究,通过大量实验来验证基本物理常数与测量体系之间的关系。试想一下,承受着现代交通压力的桥梁,在建造之时从未预见到如此繁重的负荷。当你在称量大于1千克的物体时,你可以不断地增加千克砝码,由于这种操作的复现性保证,你可以不断地扩大量程。而当你称量小于1千克的物体时,你就需要划分千克砝码。当其越分越小时,你将越来越难以保证这种操作的准确性。想象一下,将一个巧克力棒分成20份,然后继续分下去直至2000份,你很容易理解其中的问题。目前的实际情况是,工业界对于微克甚至是纳克的测量已然非常感兴趣,例如在医药行业,微小量的称量对于保证药物精确含量起着关键的作用。因此,我们的目标是保证整个称量范围中测量准确度都保持在相同的水平。在温度测量中,采用当前标准进行极限值测量所带来的困难更大。当前温度的定义是基于水三相点的特定值,即水三相点热力学温度被定义为1/273.16K。当在与水三相点很不同的温度点进行测量时(想象一下,金属加工的温度通常大于1500°C),要精确地确定这一点究竟比处在三相点的水热多少,是非常非常困难的。为了建立全球范围可靠的温度测量,目前的做法是采用多种不同方法的“配方书”来与水三相点进行比较。但在重新定义开尔文(K)之后,温度测量将不再需要与水三相点关联起来,用户可以根据不同的测量需求,采用任何适用的基准测量方法。虽然眼下重新定义还不会带来太大的改变,但它打开了未来众多可能的技术改进的大门。作为测量基石的守护者,我们应确保测量永不过时,确保对未来几十年的信心。

      2.提供面向未来创新的跳板

      SI变革将标志着人类向前迈出重要的历史性的一步。正如米(m)和秒(s)的量子化定义使GPS导航成为可能,此次SI重新定义带来的更多、更准确的测量能力,势必会引发很多新技术的产生和发展。回顾过去100年的发展历程,我们对未来更加充满信心。当原子钟问世使时间测量变得更加准确时,计算机行业尚处在襁褓之中,数字革命未见踪影。毫无疑问,高准确的计时是整个计算机行业发展的基础,没有它,互联网、移动电话和其他技术将无从谈起。迄今为止,包括GPS在内的卫星导航定位系统的准确度仍受限于我们向其时间标准传递量值的能力,有待于世界范围计量工作者们共同努力以进一步提升其水平。准确的温度测量将使得我们可以更准确地识别和可靠地测量相当长时间内发生的非常微小的温度变化,这一点在气候变化研究和预测中具有非常迫切的需求。提高非常微小的质量的测量能力将有效支撑制药行业发展,随着更多定制药品的出现和使用,药品剂量的更准确测定变得尤为重要。新SI的来临,让我们更有信心应对未来的测量挑战和需求。

三 SI重新定义推广活动的设计

      SI重新定义,是全球计量界的大事。国际计量组织和各国国家计量院都应充分利用这一重要契机,开展广泛而深入的宣传与推广活动。活动的目的,一方面是充分说明SI变革的内容和意义,及其对量值溯源方式可能带来的影响等技术后果。自200多年前“米制”问世以来,人类就期盼着建立一个全球统一并可随时随地实现的测量基础体系,随着新SI的到来,这一愿望将得以实现。与此同时,新SI还将支撑科技进步对测量准确度不断提升的需求的满足。另一方面,通过宣传SI重新定义,传播计量基础知识,可以使大众了解SI,增强社会的计量意识。SI虽应用广泛,社会各界对其重要作用却鲜有真正的认识,急需加强计量宣传,使大众更好地认识到测量与计量在日常生活以及在经济、社会和科技发展中扮演的重要角色。

      SI重新定义推广活动的目标群体可以分为以下四类。由于感兴趣的话题各不相同,在实际活动的设计中应充分考虑其针对性和适用性。

      1.决策者:指政府、学术界、工业界等的关键人物,他们对于国家政策和学术意见的形成具有重要影响力。他们所关心的话题包括:新SI如何造福人民健康和促进国家富强;新SI如何引发新技术发展和支撑创新;新SI在贸易和全球化中的作用等。

      2.教育工作者:科学技术类的教育工作者需要一定程度地了解SI重新定义所带来的变化,以便能够向学生们,甚至是中学生,传递这些讯息。针对教育工作者的推广活动的内容可包括:计量体系的介绍;计量体系背后的基本物理学知识;SI重新定义带来的变化和自然的法则;统一的测量理论等。

      3.对科学感兴趣的公众群体:有相当一部分具有科学知识的大众群体会对SI感兴趣,他们往往是通过大众媒体获取相关的信息。因此,应确保有关媒体能够获得有关新SI适当的信息。针对媒体的宣传内容可包括:SI如何与我们的生活息息相关;SI重新定义是一项世界性的工程;SI重新定义是未来创新的跳板;SI重新定义是量子物理学应用的结果;新SI不再依赖实物原器等。

      4.SI的用户:各国国家计量院都有直接服务的用户,以及通过地方计量机构或校准、检测实验室间接服务的大量的用户群体。针对用户的推广活动的内容可包括:当前体系的稳定性和延续性;新SI带来的更高的稳定性和准确性;变革引发的新技术和更多的发展机会等。

四 国际计量委员会“新SI推广工作组”的工作

      1.工作组构成

      为帮助和协调各国国家计量院和有关国际组织开展以SI重新定义为主题的计量推广工作,国际计量委员会(CIPM)于2015年成立了“新SI推广工作组”(TGSI)。工作组成员包括BIPM以及墨西哥、巴西、韩国、法国、中国、美国、日本、南非、英国、德国、俄罗斯等国家计量院和国际电磁计量咨询委员会(CCEM)、国际质量及相关量计量咨询委员会(CCM)、国际温度计量咨询委员会(CCT)、国际化学和生物计量咨询委员会(CCQM)和国际单位制咨询委员会(CCU)的代表,并邀请国际实验室认可合作组织(ILAC)、国际标准化组织(ISO)、国际法制计量组织(OIML)、国际电工委员会(IEC)和国际照明委员会(CIE)派员担任观察员。TGSI主席由CIPM副主席、CCU主席、德国PTB院长约阿希姆·乌尔里奇教授(JoachimUllrich)担任,秘书是BIPM的艾斯塔法尼亚·德·米兰达博士(EstefaníadeMirandés)。

  2.工作组成果

      TGSI每年召开一次会议,讨论确定各种有效的新SI推广工具,并分享至BIPM的门户网站,供各国选择使用。TGSI鼓励各国国家计量院结合自身实际,组织开展面向各类不同目标群体的SI推广活动。TGSI建议各国在SI推广活动中,使用通用术语介绍SI,充分利用现有资源或创建自身资源,并借助工作组平台互通有无,鼓励不同国家之间寻求联合交流和推广的机会。

      作为分享推广信息、拟定公用文件的平台,TGSI制定了很多宣传材料供各国国家计量院和国际组织使用,包括SI标识图、阐述SI使用的品牌书(BrandBook)等。使用全球统一的标识与分享关键信息的做法,既保证了不同国家和不同机构推广SI活动的一致性,又将大大提升SI及计量的国际形象。

      TGSI开发了如图1所示3种不同格式的SI平面设计,其中,7个SI基本单位分别以可见光谱中的7种不同颜色逐一呈现。所有格式和颜色的设计图均可从www.bipm.org/en/si-download-area/下载。各国计量院和国际组织的宣传材料都应使用该设计,这样既突破了不同语言之间的交流障碍,也使得各国新SI推广活动共同构成整个世界的新SI宣传史。

五 各国新SI推广活动

      从2018年5月20日“世界计量日”开始,世界各国的新SI宣传大幕已纷纷拉开,并将持续一年,直至2019年5月20日,新SI预计将正式全面实施。

      在TGSI的指导下,BIPM和各国计量院将开展形式多样的活动,包括:各国计量院设立开放日,介绍SI的复现和保存;在各类国际国内重要会议上发表关于SI重新定义的演讲;在博物馆和科技活动中举办关于SI重新定义的展览;在国内外重要期刊杂志上发表关于SI重新定义的文章;利用社交媒体开展宣传活动;举办与SI相关的知识竞赛;拍摄与SI相关的电影或电视节目等。以下简要介绍BIPM和几个主要国家计量院正在或即将开展的部分新SI推广活动。

1.国际计量局(BIPM)

●发布2018年世界计量日的资源网站;

●在BIPM官网上设置TGSI网页,提供SI标识图及其他各类信息供下载;

●2018年11月13日至16日第26届国际计量大会期间,BIPM成员国代表将对SI重新定义进行表决。为记录人类计量史上具有划时代意义的一刻,BIPM将于2018年11月15日以现场网络直播的方式组织大型报告会,内容包括:CCU、CCEM、CCT和CCM关于SI基本单位重新定义的工作报告;2至3名诺贝尔奖获奖者做关于SI发展与未来的科学演讲;对SI重新定义的决议的现场表决等。

2.英国国家物理研究院(NPL)

●演讲:在全英65所大学举办关于SI重新定义的巡回演讲;

●路演:在全英范围开展与SI有关的路演活动,每月2次,参与人数预期达3万人;

●信息传递:制作技术手册,附在NPL核发的每一份校准证书之后分发给用户,确保所有用户知晓SI基本单位定义的变化。另外,还将与英国皇家认可委员会(UKAS)等机构一起,力争将SI变化的信息传递给英国量值溯源体系中涉及的所有用户;

●教学:面向学校关键年龄层的学生(如:8~10岁,11~14岁,15~16岁以及17~19岁),传播与其年龄相匹配的计量知识和SI常识,预期将涉及全英24000所学校;

●计量故事讲述:详细叙述英国对SI演变及计量发展做出的贡献,培养民族自豪感;

●公关活动:鼓励新闻界更多地关注计量及SI重新定义,确保英国主要媒体,包括纸媒、网络及广播,都进行相关报道;

●SI大使:推荐大批的“SI大使”来传播SI的故事,NPL超过80%的员工都将参与到这项活动中。

3.德国联邦物理技术研究院(PTB)

●编写SI宣传手册,介绍新的SI,包括提出新SI的想法,已经开展的科学实验,千克定义面临的问题,SI重新定义,学校中的新SI,科学中的新SI,技术中的新SI以及公众生活中的新SI等;

●出版PTB-Mitteilungen杂志专刊,介绍新SI的相关实验。

4.美国国家标准与技术研究院(NIST)

●拍摄长篇纪录片“最后的实物原器”(TheLastArtifact),介绍千克重新定义的演变,片长60到90分钟,经费50万美元,拟向全世界公映,预计首次上映时间为2019年年初;

●拍摄视频短片:BIPM和NIST将共同拍摄关于新SI的社交媒体短视频,长约3分钟;另外,NIST还将制作题为“SI超级英雄冒险之旅”的动画片;

●制作教学课程:制作面向高中生或大学生的关于新SI的科教材料,以及开发面向高中生的新SI手机或游戏客户端。

5.中国计量科学研究院

已经制定了新SI推广活动的计划,并着手开展一系列的活动,主要包括:

●拍摄系列短片和动画片,介绍SI变革的意义和挑战;

●编写科普手册和读物,介绍新的SI,预期将于2018年底完成;

●组织“SI进校园”活动,向高等院校师生介绍SI重新定义的情况,以及对科技、经济和社会产生的影响;

●在昌平院区制作SI重新定义专题展览,长期对外开放。

在世界各国计量工作者的共同努力下,SI重新定义已进入倒计时,形式各异的新SI推广活动层出不穷,作为一门历史悠久的关于测量的科学,计量正加快步伐迈进量子化的新时代!


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