“從實(shí)物到量子”
原子時(shí)誕生50周年學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)序言

　　1952年，全球第一臺(tái)原子鐘在英國(guó)橫空出世。其后，更多先進(jìn)的原子鐘在美、法等國(guó)問世。鑒于原子鐘卓越的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）重新定義了SI秒??用133Cs原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間的躍遷頻率替代了原有基于地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的秒。這標(biāo)志著原子時(shí)的誕生，宣告著一個(gè)以量子定義時(shí)間的新時(shí)代正式到來。今天，全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經(jīng)達(dá)到了1E-16量級(jí)，比地球運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性高8個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于幾億年不差一秒。

　　量子計(jì)量基準(zhǔn)的出現(xiàn)，還為傳統(tǒng)實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)受限于材料和工藝、最高基準(zhǔn)受限于時(shí)空、傳遞鏈過長(zhǎng)導(dǎo)致準(zhǔn)確度連續(xù)下降等問題提供了全新的解決途徑。

　　根據(jù)國(guó)際計(jì)量局BIPM決議，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)即將于2018年11月在法國(guó)法爾賽宮舉行。該屆會(huì)議將最終審議新的SI修訂案，其中質(zhì)量單位千克（kg）、溫度單位開爾文（K）、物質(zhì)的量單位（mol）將分別基于普朗克常數(shù)h、玻爾茲曼常數(shù)kB和阿佛加德羅常數(shù)NA重新定義；電學(xué)基本量電流將被基本電荷常數(shù)e取代，從基本量變?yōu)閷?dǎo)出量。包括長(zhǎng)度在內(nèi)的其他SI單位基本量全部實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間頻率溯源，這為 “量值溯源扁平化”奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。屆時(shí)，SI單位的量子化變革將全部完成。

　　如今，經(jīng)過50年孕育、發(fā)展和洗禮的銫原子時(shí)間頻率基準(zhǔn)，也受到了新一代光鐘發(fā)起的挑戰(zhàn)。在人類認(rèn)知自己、認(rèn)知自然的道路上，量子技術(shù)再一次成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。量子計(jì)量作為定義世界的標(biāo)尺，也必將為人類前行注入不竭動(dòng)力。

　　從歷史上看，國(guó)際單位制的每一次變革，皆會(huì)對(duì)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)方面產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。為此，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院擬于8月31日上午在國(guó)家會(huì)議中心舉辦“從實(shí)物到量子??原子時(shí)誕生50周年”學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，從不同維度詮釋計(jì)量從實(shí)物走向原子的演變過程和未來發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)，為我國(guó)科學(xué)制定應(yīng)對(duì)單位制變革的發(fā)展戰(zhàn)略提供有益的參考。

SI是什么？
　　SI單位是全球測(cè)量基礎(chǔ)，它們就像房屋的地基，如果地基不牢靠，房屋就可能倒塌。如果沒有正確地建立測(cè)量基礎(chǔ)，將會(huì)對(duì)所有依賴于測(cè)量基礎(chǔ)的其它事物產(chǎn)生負(fù)面影響。由于測(cè)量在科學(xué)、技術(shù)和我們的日常生活中無處不在，因此這些測(cè)量基礎(chǔ)十分重要。這些測(cè)量基礎(chǔ)給我們帶來信心。

　　我們完全信賴商店中食品標(biāo)簽上顯示的重量，我們不會(huì)帶著自己的秤去檢查他們是否可信??雖然這些重量由交易標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，但是最終實(shí)現(xiàn)可信測(cè)量的是靠SI質(zhì)量單位這一基礎(chǔ)支撐。

　　SI是國(guó)際智慧和解決方案，是測(cè)量的通用語(yǔ)言。計(jì)量是全球各國(guó)與經(jīng)濟(jì)體的共同合作的舞臺(tái)。即將舉行的2018年國(guó)際計(jì)量大會(huì)將達(dá)成對(duì)SI變革的全球共識(shí)。

SI體系的制定
　　國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）每4-6年舉行一次全部成員國(guó)派代表參加的大會(huì)。CGPM基于國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）的建議，接受、討論并認(rèn)可關(guān)于SI的新進(jìn)展。

　　CIPM由CGPM提名的來自擁有較高科技地位國(guó)家的18位委員組成，每年舉行會(huì)議，并對(duì)關(guān)于SI的行政和技術(shù)事務(wù)提出建議。由58個(gè)成員國(guó)和41個(gè)附屬成員國(guó)代表通過多個(gè)委員會(huì)共同努力，為實(shí)現(xiàn)共同利益確保測(cè)量的相互間可比和一致。

　　國(guó)際計(jì)量局（BIPM）是位于法國(guó)塞夫勒的國(guó)際計(jì)量的中心，保存著國(guó)際千克原器。BIPM為CGPM的成員國(guó)提供計(jì)量服務(wù)，并為CIPM出謀劃策，BIPM是以上這些機(jī)構(gòu)的秘書處所在地，為國(guó)家或區(qū)域性計(jì)量機(jī)構(gòu)提供協(xié)調(diào)服務(wù)，并為其組織正式會(huì)議。最初BIPM的主要計(jì)量任務(wù)是將各國(guó)的米和千克原器與定義SI的國(guó)際原器進(jìn)行定期比對(duì)和重新校準(zhǔn)，如今它的主要角色是全球計(jì)量體系的中樞。

現(xiàn)行單位制面臨的兩大挑戰(zhàn)
　　1.依賴于現(xiàn)存的實(shí)物原器-國(guó)際千克原器（IPK）

　　許多測(cè)量都源自實(shí)物原器，比如米尺，但是IPK是目前僅存的定義某個(gè)測(cè)量單位的實(shí)物原器。

　　實(shí)物原器會(huì)發(fā)生變化，被損傷或毀壞。此外，想從世界的某個(gè)地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠溯源至IPK是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。從根本上而言，IPK的質(zhì)量很不穩(wěn)定，并且從1889年起它就可能開始產(chǎn)生未知的變化，但它卻仍然保持著定義標(biāo)準(zhǔn)的地位。目前，全世界各國(guó)的國(guó)家千克原器需要定期運(yùn)送到位于法國(guó)的IPK保存地BIPM，對(duì)其進(jìn)行重量比對(duì)。運(yùn)送原器這一行為本身就會(huì)給各國(guó)的原器帶來風(fēng)險(xiǎn)。

　　用其它更為基本和穩(wěn)定的東西替代SI單位制中的最后一個(gè)實(shí)物原器（IPK）是近200年來SI單位制的夙愿，如今這一愿望即將實(shí)現(xiàn)。

　　2.SI單位定義和復(fù)現(xiàn)的組合

　　測(cè)量的兩個(gè)重要方面包括單位的定義（比如厘米）和用于測(cè)量的方法（比如用尺子）。如果將兩個(gè)概念分離，定義能夠保持穩(wěn)定，同時(shí)在不需要對(duì)體系進(jìn)行重大修訂的情況下也能實(shí)現(xiàn)更完善的復(fù)現(xiàn)過程。

　　因此將定義建立在基本常數(shù)的基礎(chǔ)之上十分重要，由于常數(shù)不變，因此它們的數(shù)值和定義能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。同時(shí)能夠鞏固SI單位，并將其從內(nèi)部關(guān)聯(lián)起來。

　　SI單位修訂之后，將使用以下基本常數(shù)：
真空中的光速c =299 792 458 m s?1
普朗克常數(shù)h = 6.626 06X ?10?34 J s
基本電荷e = 1.602 17X?10?19 C
玻爾茲曼常數(shù) kB = 1.380 6X?10?23 J K?1
阿伏伽德羅常數(shù)NA = 6.022 14X?1023 mol?1
頻率為540 ? 1012 Hz的單色光輻射的發(fā)光效率Kcd為683流明每瓦特

　　目前普朗克常數(shù)的測(cè)量方式基于SI單位，但是最終將根據(jù)吊桶天平和阿伏伽德羅實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定一個(gè)固定數(shù)值。普朗克常數(shù)將被定義為6.626 06X?10?34焦耳秒，這反過來也定義了焦耳秒（J?s）這一單位。（X表示未知的最終數(shù)值）

　　使用不變的自然法則使我們能夠創(chuàng)造不變的測(cè)量規(guī)則。使用自然常數(shù)使我們能夠把最小的到最大的物理量關(guān)聯(lián)起來。將原子（和量子）尺度與那些宏觀層面的測(cè)量關(guān)聯(lián)在一起。這是變革的魅力所在。

　　變革標(biāo)志著重大進(jìn)展。如今科學(xué)進(jìn)步使我們能夠向更好的未來邁進(jìn)，同時(shí)還能保證實(shí)際用戶所需的延續(xù)性。SI重新定義將成為未來創(chuàng)新的跳板。