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充满奥秘和未知的计量世界向哪里变?

2017-06-30 09:32
Hsiao Chen
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“计量”是关于测量及其应用的科学,也是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动。计量自古以来就与人类活动有着十分密切的关系,已经深深地植根于人们的生产和生活之中。

从计量的发展历程来看,测量准确性的提高,与人们对自然界的观察、认识以及自然科学和生产力的发展有着紧密的联系。尤其在生产方式的变革之中,当人们期待用一种新的生产技术取代传统技术时,对测量方法和测量的准确性就会提出新的、更高的要求,这就促使一些学者、发明家或工程人员去探索和改进测量的技术、手段和方法。

第一次工业革命的爆发,不仅使生产力以及财富创造力都较农耕文明时代有了成千上万倍的增长,也成为科技进步和知识爆炸的导火索。在19 世纪的中后期,物理学领域取得了一个重要的科学成就,这就是英国科学家麦克斯韦创建的电磁学理论体系。这个理论以测量试验为基础,为人类深入物质内部观察并探索物质的微观世界提供了全新的方法和手段,也为人类运用电能提供了理论和实践的依据。在电磁理论和技术发展的推动下,新的科学发现及理论也井喷式地爆发和涌现出来,最重要的突破是20 世纪初期科学家普朗克提出的量子论和爱因斯坦提出的相对论。这两个全新的观点在相继被科学实验证明后,终于让人类的视野和触角伸向了广袤的宇宙,进入了物质的微观世界,并且随即引发了化学、生命科学、板块理论以及宇宙大爆炸模型等一系列科学与技术的相继突破。量子论和相对论是继牛顿经典物理学形成后的又一次物理学革命,也成为近现代物理学的重要支柱,是20世纪以来人类在自然科学领域取得的伟大成就,为当代自然科学研究奠定了重要的基础。

量子力学理论诞生后,计量学也随之发生了革命性的变化。科学家们开始探索以物质内部的运动规律来定义基本物理量单位的可能性。在《米制公约》时代建立的长度单位“米”的实物基准,其测量的准确性是0.1微米。到了20 世纪50 年代,随着同位素光谱光源的发展,科学家发现了宽度很窄的氪-86同位素谱线,再加上干涉技术的成功应用,人们终于找到了一种可以取代实物基准且不易毁坏的新标准,即通过光波的波长来定义长度单位“米”。1960 年,科学界研制出第一个依据量子理论建立,并被正式确立为长度单位的新基准,后在国际计量大会上重新定义了“米”。新的“米”量子基准不仅准确性较先前的实物基准提高了3~4个数量级,而且十分稳定。随后,在1967年,此前以特定历元下地球的公转周期定义的时间单位“秒”,也被新的量子时间频率基准所取代。相对于用地球公转周期来定义时间“秒”,量子基准的准确度达到了十分惊人的程度,从原先30年误差1秒,一下子提高到了几千万年误差不到1 秒的新高度。按照1955 年签订的《国际法制计量组织公约》,1960 年举行的第11 届国际计量大会正式通过了建立国际单位制的决议,标志着世界各国计量制度走向全面统一时代的到来。计量单位制和计量基准的革命性变化,给全人类带来的影响和作用都极其深远。

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