“從實物到量子”
原子時誕生50周年學術報告會序言

　　1952年，全球第一臺原子鐘在英國橫空出世。其后，更多先進的原子鐘在美、法等國問世。鑒于原子鐘卓越的準確度和穩定性，1967年第13屆國際計量大會（CGPM）重新定義了SI秒??用133Cs原子基態兩個超精細能級間的躍遷頻率替代了原有基于地球公轉和自轉的秒。這標志著原子時的誕生，宣告著一個以量子定義時間的新時代正式到來。今天，全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經達到了1E-16量級，比地球運動的穩定性高8個數量級，相當于幾億年不差一秒。

　　量子計量基準的出現，還為傳統實物計量標準受限于材料和工藝、最高基準受限于時空、傳遞鏈過長導致準確度連續下降等問題提供了全新的解決途徑。

　　根據國際計量局BIPM決議，第26屆國際計量大會即將于2018年11月在法國法爾賽宮舉行。該屆會議將最終審議新的SI修訂案，其中質量單位千克（kg）、溫度單位開爾文（K）、物質的量單位（mol）將分別基于普朗克常數h、玻爾茲曼常數kB和阿佛加德羅常數NA重新定義；電學基本量電流將被基本電荷常數e取代，從基本量變為導出量。包括長度在內的其他SI單位基本量全部實現對時間頻率溯源，這為 “量值溯源扁平化”奠定了堅實基礎。屆時，SI單位的量子化變革將全部完成。

　　如今，經過50年孕育、發展和洗禮的銫原子時間頻率基準，也受到了新一代光鐘發起的挑戰。在人類認知自己、認知自然的道路上，量子技術再一次成為全世界關注的焦點。量子計量作為定義世界的標尺，也必將為人類前行注入不竭動力。

　　從歷史上看，國際單位制的每一次變革，皆會對國家科技、經濟、社會等各個方面產生積極而深遠的影響。為此，中國計量科學研究院擬于8月31日上午在國家會議中心舉辦“從實物到量子??原子時誕生50周年”學術報告會，從不同維度詮釋計量從實物走向原子的演變過程和未來發展應用趨勢，為我國科學制定應對單位制變革的發展戰略提供有益的參考。

SI是什么？
　　SI單位是全球測量基礎，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量基礎，將會對所有依賴于測量基礎的其它事物產生負面影響。由于測量在科學、技術和我們的日常生活中無處不在，因此這些測量基礎十分重要。這些測量基礎給我們帶來信心。

　　我們完全信賴商店中食品標簽上顯示的重量，我們不會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準進行規范，但是最終實現可信測量的是靠SI質量單位這一基礎支撐。

　　SI是國際智慧和解決方案，是測量的通用語言。計量是全球各國與經濟體的共同合作的舞臺。即將舉行的2018年國際計量大會將達成對SI變革的全球共識。

SI體系的制定
　　國際計量大會（CGPM）每4-6年舉行一次全部成員國派代表參加的大會。CGPM基于國際計量委員會（CIPM）的建議，接受、討論并認可關于SI的新進展。

　　CIPM由CGPM提名的來自擁有較高科技地位國家的18位委員組成，每年舉行會議，并對關于SI的行政和技術事務提出建議。由58個成員國和41個附屬成員國代表通過多個委員會共同努力，為實現共同利益確保測量的相互間可比和一致。

　　國際計量局（BIPM）是位于法國塞夫勒的國際計量的中心，保存著國際千克原器。BIPM為CGPM的成員國提供計量服務，并為CIPM出謀劃策，BIPM是以上這些機構的秘書處所在地，為國家或區域性計量機構提供協調服務，并為其組織正式會議。最初BIPM的主要計量任務是將各國的米和千克原器與定義SI的國際原器進行定期比對和重新校準，如今它的主要角色是全球計量體系的中樞。

現行單位制面臨的兩大挑戰
　　1.依賴于現存的實物原器-國際千克原器（IPK）

　　許多測量都源自實物原器，比如米尺，但是IPK是目前僅存的定義某個測量單位的實物原器。

　　實物原器會發生變化，被損傷或毀壞。此外，想從世界的某個地點實現可靠溯源至IPK是一項艱巨的任務。從根本上而言，IPK的質量很不穩定，并且從1889年起它就可能開始產生未知的變化，但它卻仍然保持著定義標準的地位。目前，全世界各國的國家千克原器需要定期運送到位于法國的IPK保存地BIPM，對其進行重量比對。運送原器這一行為本身就會給各國的原器帶來風險。

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

　　2.SI單位定義和復現的組合

　　測量的兩個重要方面包括單位的定義（比如厘米）和用于測量的方法（比如用尺子）。如果將兩個概念分離，定義能夠保持穩定，同時在不需要對體系進行重大修訂的情況下也能實現更完善的復現過程。

　　因此將定義建立在基本常數的基礎之上十分重要，由于常數不變，因此它們的數值和定義能夠在相當長的時間內保持穩定。同時能夠鞏固SI單位，并將其從內部關聯起來。

　　SI單位修訂之后，將使用以下基本常數：
真空中的光速c =299 792 458 m s?1
普朗克常數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 kB = 1.380 6X?10?23 J K?1
阿伏伽德羅常數NA = 6.022 14X?1023 mol?1
頻率為540 ? 1012 Hz的單色光輻射的發光效率Kcd為683流明每瓦特

　　目前普朗克常數的測量方式基于SI單位，但是最終將根據吊桶天平和阿伏伽德羅實驗的結果確定一個固定數值。普朗克常數將被定義為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表示未知的最終數值）

　　使用不變的自然法則使我們能夠創造不變的測量規則。使用自然常數使我們能夠把最小的到最大的物理量關聯起來。將原子（和量子）尺度與那些宏觀層面的測量關聯在一起。這是變革的魅力所在。

　　變革標志著重大進展。如今科學進步使我們能夠向更好的未來邁進，同時還能保證實際用戶所需的延續性。SI重新定義將成為未來創新的跳板。