精無止境-國際單位制si量子化演進2018

1、精無止境,國際單位制SI量子化演進,2018年11月16日，貌似平淡無奇的一天，但人類文明其實悄然度過了一個關鍵節(jié)點。第26屆國際計量大會上，千克、安培、開爾文、摩爾的新定義一致通過了！今后人類測量萬事萬物的所有計量單位都是基于物理學基本定律和常數(shù)定義。放之宇宙而皆準！這絕對是人類文明史上有標志性意義的一天！ ——引自某網(wǎng)絡媒體,2

2、0 May 2019正式啟用,,2018年11月26日，第26屆國際計量大會通過SI重新定義的決議,“這是自法國大革命以來測量科學最偉大的革命”,——諾貝爾物理學獎得主，法國科學家比爾·菲利普斯,諾貝爾物理學獎得主法國科學家比爾.菲利普斯,自2019年5月20日起生效的國際單位制SI:- 銫133原子基態(tài)的超精細能級躍遷頻率?νCs為 9 192 631 770 Hz，- 真空中光的速度c為 299 792

3、 458 m/s，- 普朗克常數(shù)h為 6.626 070 15X10-34 Js，- 基本電荷e為 1.602 176 634X10-19 C，- 玻爾茲曼常數(shù)k為 1.380 649X10-23 J/K，- 阿伏伽德羅常數(shù)NA為 6.022 140 76X1023 mol-1，- 頻率為540X1012 Hz的單色輻射的發(fā)光效率Kcd為683 lm/W，,與過去的實物基準相比，這些常數(shù)代表著“恒定”。在由

4、當前單位組成的測量體系中，基本物理常數(shù)或定義常數(shù)的值是由當前單位給定的，其數(shù)值是測量能力決定，這就導致基本常數(shù)的值總是處于不斷變化之中。新單位制中，單位將作為推理的結果，通過給定值的基本常數(shù)導出。因為基本常數(shù)恒定，單位制的基礎將是最堅實可靠且 “普遍適用”。簡單地說，采用新的單位制，即使火星人也能理解“千克”的定義，而在舊單位制中，我們需要將“千克原器”發(fā)送給火星人。,SI 新定義,SI新定義——影響,新SI與教育新的國際單位制比原有

5、的單位制體系要更加抽象。學習新國際單位制的挑戰(zhàn)在于在這個新體系中找到自己的視角，這不僅是對每個學生的挑戰(zhàn)，更是對每個老師教學方法的挑戰(zhàn)。,新SI與科學從2018年開始，新國際單位制將帶領人類的步伐邁向地球之外的廣闊空間。新國際單位制將不再區(qū)分基本單位和導出單位，所有單位都是從基本常數(shù)中“導出”的，因此，所有單位都是等效的。,新SI與技術新國際單位制中不會出現(xiàn)任何內在的技術壁壘，能夠不斷通過提高測量水平來提高單位復現(xiàn)的準確度，而不需要

6、改變單位的基本定義。新國際單位制的技術開放性對未來所有關于精度方面的技術進步都極為有利，并且這種技術開發(fā)性適用于所有SI單位。,新SI與日常生活在生活中新單位制的影響是潛移默化的。對于大多數(shù)普通民眾來說，我們的日常生活不會有太大變化。對于那些出口依賴型國家來說，再沒有什么能阻擋它們與全世界甚至全宇宙進行商業(yè)往來！,問 題,春秋1尺=10寸，1尺約合19.5厘米至20厘米；戰(zhàn)國1丈=10尺， 1尺=10寸，1寸=10分，1尺約合23

7、．1厘米。,2.26米,,1. 孔子和姚明誰高？,,2.海水可以斗量嗎？,,3. 變態(tài)辣到底有多辣？,1. 孔子和姚明誰高？2. 海水可以斗量嗎？3. 變態(tài)辣到底有多辣？,,,,PART ONE,國際單位制？,artefact,t = 55.4 s,m = 10.1 kg,v = 87.4 km/h,,Q = {Q} [Q],m = 10.1 kg,量和單位 Quantities and

8、 Measurement Units,value of aquantity,number,unit,t = 55.4 s,m = 10.1 kg,(1),unit,(2),,量和單位 Quantities and Measurement Units,Q = {Q} [Q],?? (133Cs)hfs = 9 192 631 770. 5 s-1,artefact,uncertainty,ma

9、terial property,measurem. prescription,defining constant,,(6),value of aquantity,Define a unit by fixing the numerical value of a constant of nature,constant of nature,number,electric current,temperature,amount ofsubst

10、ance,luminousintensity,length,mass,time,Base units,Established in 1960: CGPM,國際單位制The International System of Units: SI,Derived units,[v] = m s-1,[c] = mol m-3,Derived units with special names,Dimensions of quantities,

11、,? A set of coherent SI units,Base units,國際單位制The International System of Units: SI,,Derived units,Intensity of light from an LEDCO2 concentration in the airCreatinine concentration in blood serumDose equivalent outs

12、ide nuclear reactors….,A global measurement infrastructure,Valid world wide,Dimensions of quantities,? A set of coherent SI units,Base units,國際單位制The International System of Units: SI,A global measurement infrastructur

13、e,Valid world wide,Basis and condition sine qua non for world wide trade,? 97.6 % of the world economy,101 Member and Associate States4 International OrganizationCovering 153 Designated Institutes (DI),: CIPM-

14、MRA signed by,The cornerstone of international quality infrastructure (QI),: CIPM-MRA,Worldwide ~ 65.000 laboratories are accredited along ISO/IEC 17025? Requiring traceability to the SI!,,國際單位制The International

15、System of Units: SI,Members ? International Astronomical Union [IAU] ? International Union of Pure and Applied Chemistry [IUPAC] ? International Union of Pure and Applied Physics [IUPAP] ? Commission

16、internationale de l'éclairage [CIE] ? Committee on Data for Science and Technology [CODATA Task Group on Fundamental Constants] ? International Commission on Radiation Units and Measurements [ICRU]

17、 ? International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine [IFCC] ? International Electrotechnical Commission [IEC] ? International Organization for Standardization [ISO] ? International Or

18、ganization of Legal Metrology [OIML] ? Centro Español de Metrología [CEM], Madrid ? Korea Research Institute of Standards and Science [KRISS], Daejeon ? Laboratoire National de Métrologie et

19、 d‘Essais [LNE], Paris ? Federal Institute of Metrology [METAS], Bern-Wabern ? National Institute of Metrology [NIM], Beijing ? National Institute of Standards and Technology [NIST], Gaithersburg ? Na

20、tional Metrology Institute of Japan, AIST [NMIJ/AIST], Tsukuba ? National Physical Laboratory [NPL], Teddington ? National Research council of Canada [NRC], Ottawa ? Physikalisch-Technische Bundesanstalt [

21、PTB], Braunschweig ? Federal Agency on Technical Regulating and Metrology [Rosstandart], MoscowPersonal members ? Prof. M. Himbert ? Dr T.J. Quinn CBE FRS ? Prof. I. M. Mills FRSEx officio

22、? Director of the BIPM,BIPM 國際單位（SI）咨詢委員會CCU: Consultative Committee for Units,,International unions,,International commissions &committees,,Intergovernmental organizations or international bodies,,NMIs,,Personal a

23、nd ex officio members,測量-起源于物物交換為了交換才有了衡量,布手知尺,掬手成升,邁步定畝,直觀感知,,,商鞅方升商鞅方升是戰(zhàn)國至秦漢時期（公元前221年-公元前344年）國家統(tǒng)一頒發(fā)的標準量器。,發(fā)展—統(tǒng)于秦（公元前221年-前207年）,,一法度衡石，丈尺，車同軌，書同文。,——史記·秦始皇本紀,,荷蘭語是大拇指的意思，它的長度相當于一節(jié)大拇指的長度,,法國測量子午線弧長。為了計算米的長度，179

24、2年-1799年，德朗布爾（Delambre）與梅尚（Mechain）花了整整7年的時間，利用三角測量法測量了從敦刻爾克至巴塞羅那的弧長。,在法國大革命前，約有800個單位名稱，以及令人震驚的是還有250000 種度量標準。,,,1875年5月20日，法國外交部鐘室，17個成員國簽署了《米制公約》?！睹字乒s》規(guī)定了國際單位米·千克·秒。用鉑制作了一根標準米尺作為標準參照物，稱作米原器。,長度標準:地球子午線的400

25、0萬分之一?！扒Э恕? 溫度為3.98℃下1升純水的質量。,實物基準,1875年米制公約建立。以國際計量局為量值源頭的國際計量體系形成。國際近代計量突破古代傳統(tǒng)度量衡的標志。,基本長度單位米誕生之后，很多單位也它為基礎重新定義了標準。首先是以十進制為基礎導出了很多一套長度單位，包括我們熟悉的厘米、分米、千米。再以長度單位定義質量單位千克，即是一立方分米（一升）的純水在4攝氏度時的質量。,旨在利用最先進的現(xiàn)代科學技術，建立米和千

26、克的新的國際標準，使法國計量體系真正國際化；在成員國政府的支持下，建立一個永久性的科學機構，以保存這些新標準，并向世界提供基本的必要的計量標準。,初代鉑制米原器,,法國用科學的思維終結了國與國之間關于“米”的混亂局面，開啟了現(xiàn)代單位制統(tǒng)一的新時代,1875年米制公約建立，以國際計量局為量值源頭的國際計量體系形成,米制公約影響二,以實物基準為基礎的現(xiàn)代計量，促進了第一、第二次工業(yè)革命,誕生了現(xiàn)代化的國家計量院，并在第二次工業(yè)革命的激烈

27、競爭中勝出,德國國家計量院,英國國家計量院,美國國家計量院,中國國家計量院,NIST,NPL,NIM,美國標準與技術研究院，1901,——擁有創(chuàng)造性的基因,英國國家物理實驗室政府化學家實驗室LGC,1900,中國計量科學研究院，1955,——科學和商業(yè)的橋梁,——中國工業(yè)競爭力的經絡,,1960年第11屆國際計量大會做出決議，將長度、質量、時間、電流、熱力學溫度和發(fā)光強度等物理量定名為國際單位制。1971年，增加“物質的量”作為第7個

28、基本量。,,SI單位制,米制公約影響三,,,美國英制公制混用的問題害得NASA損失慘重,NASA的火星氣候探測者號斥資超過3億美元，花了一年時間才從地球飛到火星。,投 入,設計人員沒有將英制計量單位（磅力）換算為公制計量單位（牛頓）。,,墜毀原因,加拿大公制和英制混用險些釀成墜機事故,,熱量計量 VS 體積計量,兼顧體積、天然氣的品質更加公平、合理,天然氣貿易結算方式,2017年我國天然氣使用量已經超過2000億立方米，其中1/3

29、左右來自進口，貿易額近萬億元。,,,,PART TWO,量子化變革,計量（Metrology）：是測量的科學及其應用。是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保證量值準確可靠的活動。,測量新理論和新原理,測量量值準確和單位統(tǒng)一,測量新技術和新儀器,測量應用,測量結果分析 GUM,測量操作正確性和有效性ISO17025,計量與測量,,,,,2.科技發(fā)展催生,,量子技術與互聯(lián)網(wǎng)信息技術的快速發(fā)展,秒率先實現(xiàn)了從“天文

30、時”到“原子時”的量子化變革，從而將時間頻率測量精度躍升1000萬倍以上，相當于從十年誤差一秒精確至億年誤差一秒。,為什么要進行變革？,1.以實物為基準的現(xiàn)行的國際,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。,單位制局限,量值隨時間、環(huán)境的影響發(fā)生漂移；量值傳遞過程中引入誤差,1983年第十七屆國際計量大會通過了新的米定義,長度基準完成了由自然基準向用基本物理常數(shù)定義基本單位的過渡。米：

31、光在真空下在1/299792458秒中走過的距離,式中，L為長度，c表示真空中光速，t為時間，將C=299 792 458 m/s 規(guī)定為無誤差普適常數(shù)。,,復現(xiàn)米的精度得到極大的提高從10-7到10-11，影響了端度、直徑、角度等20多個幾何參量的測量。,1990年，伏特和歐姆量子化，大大推動了科技進步。,長度、時間、電學單位的量子化促進了以信息控制為主導的第三次工業(yè)革命的發(fā)展。,線紋計量從一維向二維測試的轉變，促進了集成電路的發(fā)展

32、。膜厚計量快速發(fā)展，有力推動半導體、微電子、通訊、電鍍、核物理研究。,變革決議,,國際計量大會于2018年11月16日通過使用量子化國際單位制取代現(xiàn)行實物基準的決議，并將于2019年全面實施。,一件將載入史冊的大事,2005年，國際計量委員會于一致同意全面啟動SI單位量子化變革，使其直接定義在自然界“恒定不變”的基本物理規(guī)律上。,昌平園廳ppt中，七個基本量新定義圖,單位制量子化變革的優(yōu)越性,,,,PART THREE,量子化變革的影

33、響,網(wǎng)約車,通過手機導航計價,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),銫原子鐘時間基準,從絕對零度到任意溫度點的準確測量,高超音速武器效果圖,,計量變革,基于玻爾茲曼常數(shù)的溫度基準從絕對零度到任意點溫度的準確測量,高溫測量需求,,核聚變研究,水三相點0-100攝氏度,,計量支撐,測量范圍的突破,多極化,扁平化,計量變革形成國際計量新秩序，國際計量局作為全球量值溯源源頭地位顯著弱化 掌握量子基準前沿技術的先進國家計量院，形成量值源頭的多極化,使量值溯源

34、鏈條更短、速度更快、測量結果更準更穩(wěn) 徹底改變依靠實物標準逐級傳遞的計量模式,量子化變革的影響,,,量子化變革的中國貢獻,開展基本物理常數(shù)測量和新一代量子計量基準研究,,,,2017年11月3日，全國政協(xié)原主席賈慶林同志在計量院昌平實驗基地調研視察時，稱中國計量科學研究院是 “國寶級研究機構”,,王岐山同志于2013年視察我院時說，中國計量院已經成為共和國的脊梁、是“共和國的寶貝”,1. 孔子和姚明誰高？2. 海水可以斗量嗎？

35、3. 變態(tài)辣到底有多辣？,,,,PART FOUR,國家質量基礎設施NQI的作用,質量是什么？,NQI,質量提升,企業(yè),政府,質：一事物區(qū)別于他事物的規(guī)定性；質通過屬性表現(xiàn)；質是認識的基礎、實踐的起點。量：事物的規(guī)模、程度，運動速度的快慢、顏色深淺等可量化的規(guī)定性；量是認識的深化和精確化。質量：通過一組量化的屬性、特征、性能等參數(shù)，表征客體的內在本質和外部表象，實現(xiàn)主體滿足程度可量化、可比較、可評價，進而實現(xiàn)可控制、可改進、可監(jiān)督。

36、,質量：一組固有特性滿足要求的程度。是品質卓越程度的統(tǒng)稱。,質 量：特定主體對某一客體特性期待的滿足程度,51,質量的人本特性質量的量化特征......,新時代質量本質——品質,新時代質量必須堅持以人民為中心的理念質量量化特征奠定了質量科學性和創(chuàng)新性,如何實現(xiàn)質量提升？,量變是指事物量的規(guī)定性變化，即事物數(shù)量的增減和場所的變更。質變是指事物質的規(guī)定性的變化，即事物由一種質態(tài)到另一種質態(tài)的飛躍。量變的基本形式可分為兩種：一

37、種是事物數(shù)量的增減；一種是事物的構成成分的排列組合和結構形式上的變化。,從“量”變到質變，實現(xiàn)質的飛躍！,從“量”變到質變，實現(xiàn)質的飛躍！,“量值”質量提升的前提和路徑,大數(shù)據(jù)時代：量值定義世界任何科學技術，都是為了探討、分析、研究、掌握和利用事物的客觀規(guī)律；而所有的事物都是由一定的“量”組成，并通過“量”來體現(xiàn)的。,歐洲人的哲學理念：凡是不能量化的事物，通常都是難以被控制與改善的事物。,著名質量管理學家戴明：除了上帝，任何人都

38、必須用數(shù)據(jù)說話！,,國家質量基礎設施（NQI）National Quality Infrstructure,一個國家建立和執(zhí)行計量、標準、認證認可、檢驗檢測等所需的質量體制框架的統(tǒng)稱，包括法規(guī)體系、管理體系、技術體系等,,,,,,,,,,2002,由德國計量院PTB首次提出“國家質量基礎(NQI)”的概念,NQI概念首先由計量院引入我國,,,規(guī)矩：法度，標準 方圓：質量 規(guī)、矩：校正圓和方的計量器具,,計量（規(guī)、矩）,標準（規(guī)矩

39、）,質量（方圓）,“規(guī)矩誠設矣， 則不可欺以方圓” ——《荀子·禮論》,合格評定程序,荀子（313－238 B.C.）,,,,中國古代“國家質量基礎”思想,,不以規(guī)矩，無以成方圓,THE ANSWER TO THE GLOBAL QUALITY CHALLENGE: A NATIONAL QUALITY INFRASTRUCTURE,質量基礎設施體

40、系及作用（UNIDO）,質量提升,,標準與標準化,標準：“為了在一定的范圍內獲得最佳秩序，經協(xié)商一致制定并由公認機構批準，共同使用的和重復使用的一種規(guī)范性文件?！?標準化：“為了在一定范圍內獲得最佳秩序，對現(xiàn)實問題或潛在問題制定共同和重復使用的條款的活動?！?合格評定,合格評定：對合格與否開展評價、確定合格評定程序：是指任何直接或間接用以確定產品是否滿足技術法規(guī)或標準中相關要求的程序。 根據(jù)ISO/IEC有關符合性

41、評估的標準和指南，合格評定程序包括：抽樣、檢測、測試、檢驗、符合性評定、驗證、符合性保證、注冊、認可、批準、認證,國家質量基礎設施量的本質和外延,國家質量基礎設施對質量的作用,62,計量：確保量的準確性 量值溯源——樹立信心 檢定校準——獲得保證標準化：實現(xiàn)量的統(tǒng)一性 標準制定——統(tǒng)一期待 標準實施——建立信任合格評定：解決量的符合性 檢驗檢測

42、——標準符合依據(jù) 認證認可——提供信任傳遞 實現(xiàn)信賴 樹立信心、建立信任、實現(xiàn)信賴。,質量基礎設施的作用,QI對質量提升的價值鏈,,,,計 量,合格評定,標 準,建立溯源性獲得可靠測量結果,結果可檢驗過程可復現(xiàn),傳遞信任實現(xiàn)對質量信賴,質量提升,QI作用于質量提升,通過建立計量溯源性，獲得可靠的測量結果（樹立信心），使

43、標準的結果可檢驗，過程可復現(xiàn)，從而建立質量信任，通過信任的傳遞，實現(xiàn)人們對質量信賴。,國家質量基礎的重要作用,日常生活,社會生產,國家運轉,貿易往來,,質量,國家質量基礎的重要作用,,,,標準化對經濟增長的貢獻,超過80%貿易須經計量才能實現(xiàn),27%,23%,12%,25%,7.9%,國家質量基礎的重要作用,資料來源：美國國家標準與技術研究院NIST 英國國家物理實驗室NPL,國家質量基礎的重要作用,促

44、進國際貿易,參與全球治理,全球價值鏈的技術規(guī)則,全球合作攻關，應對疫情,,NQI——國家發(fā)展質量的基礎NQI是一個國家經濟、政治、文化、社會、生態(tài)文明發(fā)展質量的重要基礎，是一個國家治理體系的重要組成，是實現(xiàn)全球治理的基本保障。,國家質量技術基礎NQI,,,國家治理體系,國家治理能力,NQI的政府公共干預模型,（認證認可與檢驗檢測）,,,Concept,Development,Manufacturing,Trading,國家質量基礎設

45、施支持創(chuàng)新（知識/能力/設施）,Quality Infrastructure,,quality infrastructure,,,國家質量基礎設施,,,,,,,,,,,,,,,量值的主線,標準化的主線,信任的主線,計量是標準化的前提標準是標準化的載體合格評定以標準為依據(jù),,計量解決：準確性標準解決：一致性認可解決：公允性檢驗檢測認證解決：符合性,計量、標準、合格評定的融合發(fā)展,,,,行業(yè)企業(yè)應用主線,認可以計量的校準測量能力

46、互認為依托，以標準符合性驗證能力為目標，傳遞信任,創(chuàng)新驅動,以人為本,NQI—品質革命的答案,質 量 觀：以人民為中心質量變革：樹立信心、 建立信任、 實現(xiàn)信賴質量基石：質量基礎設施質量自信：供需動態(tài)平衡,五、中國計量科學研究院,,,,,,,,編譯科普讀物 培養(yǎng)青年人才 制作科普視頻