計量與量值單位的新定義

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(shè)定了長度“米”和質(zhì)量“千克”兩個計量單位，并且按照“米”和“千克”的定義，制作出統(tǒng)一量值的實物計量基準(zhǔn)。不過，在“米制公約”之前，時間單位“秒”已經(jīng)由物理學(xué)家和天文學(xué)家按照地球自轉(zhuǎn)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(zhǔn)的研究始終備受矚目。時間和空間是人類認(rèn)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(biāo)。秒長和周期都是時間間隔，頻率是周期的倒數(shù)。規(guī)定公元起點，連續(xù)累積時間，比如2016年×月×日，這就是時標(biāo)。日出而作，日落而息，人類對時間的認(rèn)知起源于天文觀測。地球自轉(zhuǎn)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(jì)初，物理效應(yīng)測量時間的穩(wěn)定度超過了天文觀測。也就是說，盡管地球是一個巨大的質(zhì)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(tài)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(wěn)定度比天文秒改善了數(shù)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(shù)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(dāng)時的科學(xué)家用盡可能準(zhǔn)確的天文時做“尺子”，在1個天文秒里，數(shù)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(chǎn)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(zhǔn)確度一下子提高了5~6個數(shù)量級。按照這個新國際計量基準(zhǔn)， 準(zhǔn)確度可以達到10-15量級，使計量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度達到了前所未有的高度。原子時比天文時更為準(zhǔn)確，且不受地球公轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)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(jīng)研制出更加準(zhǔn)確的時間頻率基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度預(yù)期可以達到10-18量級。如果新的原子鐘被國際認(rèn)可，“秒”的定義在歷經(jīng)半個世紀(jì)后或?qū)⒃俅伪桓膶憽?/p>

量子計量基準(zhǔn)的發(fā)明和使用，促進了科學(xué)技術(shù)的進步，引發(fā)了一浪高過一浪的科技與產(chǎn)業(yè)革命。它加快了經(jīng)濟全球化的進程，使全球間貿(mào)易往來更加活躍，也為中國等一大批新興經(jīng)濟體國家?guī)砹私?jīng)濟發(fā)展的奇跡。它為技術(shù)創(chuàng)新帶來了巨大的發(fā)展空間，培育并造就出包括納米、生物、衛(wèi)星導(dǎo)航、3D打印、機器人等一大批高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。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(yù)防和抵御自然災(zāi)害、保護生態(tài)環(huán)境、合理利用能源資源等方面的水平進一步提高?？梢灶A(yù)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(fā)生驚人的、革命性的改變。