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计量单位告别实物基准,把科技发展主动权掌握

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计量单位告别实物基准,把科技发展主动权掌握

伟大的事业都基于创新,科技创新从未像今天这样深刻影响着国家命运与百姓福祉。

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伟大的事业都基于创新,科技创新从未像今天这样深刻影响着国家命运与百姓福祉。党的十八大以来,我国科技进步贡献率从52.2%迅速增至57.5%,向着2020年全面跻身创新型国家行列、科技进步贡献率达60%的目标日益趋近。2018年,中国国家创新能力排名升至全球第17位,成为唯一进入前20名的中等收入国家。

5月20日,一年一度的世界计量日,今年的世界计量日主题为“国际单位制——根本性飞跃”,注定将是极具历史意义的一天。这一天,“千克”等国际单位制的所有计量单位,正式迎来新的定义,用实物基准定义计量单位的方法成为历史。这是测量科学迈出的关键一步,可以说计量正式迈入了量子时代。

但必须承认的是,在一些关键核心技术方面,我们受制于人的现象仍然存在,“卡脖子”问题亟待破解。习近平总书记强调,关键核心技术是国之重器,对推动我国经济高质量发展、保障国家安全都具有十分重要的意义,必须切实提高我国关键核心技术创新能力,把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里,为我国发展提供有力科技保障。

在2018年召开的第26届国际计量大会上,经包括中国在内的53个成员国集体表决,全票通过了关于“修订国际单位制”的1号决议。根据决议,质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”等4个SI基本单位的定义由常数定义。决议于2019年国际计量日——5月20日正式生效。加之此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义,至此,国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。

关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,需要我们自己去突破。如何提高关键核心技术创新能力,解决“卡脖子”问题,把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里,这是今年全国两会上代表委员们关注的话题。

中国计量科学研究院院长方向介绍,国际单位制规定的7个基本单位,好比7块彼此独立又相互支持的“基石”,构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其他单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特等,都可以通过7个基本单位导出。

科技创新要有忧患意识

计量,在我国古代被称为“度量衡”。从“迈步定亩”“掬手为升”到“国际千克原器”,人类的计量单位度过了以物理实物来作为基准的漫长时期。今天,所有实物基准已退出历史舞台,光速等以量子物理为基础的自然常数走上前台,重新定义我们的“度量衡”。

先进的测量控制技术和精密仪器是科学发现的工具、技术创新的种子,作为计量科技领域的科技工作者,中国计量科学研究院院长方向委员亦喜亦忧:喜的是,我国计量科技近年来发展迅速,获得国际互认的校准和测量能力已跃居全球第三、亚洲第一;我国自主可控的国家时间基准达到3500万年不差一秒,长度量子基准达到每米误差不多于50纳米,都跻身世界领先行列。忧的是,测量控制技术和仪器仪表的研究和制造与国际先进水平存在很大差距,很多关键核心技术还受制于人。

计量迈入量子化时代,世界测量技术规则将重构。这对我们影响几何?中国又将如何应对?

比如,在海洋测量领域,我国海洋调查与监测长期使用的关键传感器与仪器长期依赖发达国家;在生命科学等研究领域,各种类型的生物质谱仪器几乎完全由国外企业垄断。“这些关键核心技术受制于人,如果因经济、政治、国家安全等原因,进口受到限制,我国很多产业将会陷入停顿。长期下去,将严重影响国家战略目标的实现。”方向委员说。

“不靠谱”的实物基准

天能集团党委书记、董事局主席张天任代表有着同样的忧虑。他表示,虽然我国现阶段的工业设计和总装水平有了很大提升,但自主创新能力还很不够,总体上仍处于全球价值链的中低端。特别是关键基础材料、核心基础零部件、先进基础工艺、产业技术基础这“四基”能力薄弱,严重制约工业整体竞争力和高质量发展的能力。

国际单位制共有7个基本的计量单位:时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。起初,计量单位都是基于实物或物质的特性来定义。以千克为例,最初定义为1立方分米水的质量,以一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体为实物基准,即“国际千克原器”,代表1千克的质量。各国的质量基准需要定期到国际计量局与大K做比对和校准,以保证计量量值的等效和一致性。

“我们一定要增强忧患意识,科技创新要摒弃依赖进口的想法,核心技术、关键技术和国之重器必须靠自己攻坚克难,牢牢掌握在自己手中。”方向委员说。

但是,以实物作为基准,会遇到一个问题:这些实物会随时间推移或环境改变而发生变化。比如大K是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的,但时间久了还是会因为一些不易控制的物理或化学变化,导致其保存的量值有所改变。

多关注未来才能赢得主动

据国际计量局数据显示,百年来各国保存的质量基准与大K的一致性发生了约0.05毫克的变化。“到底是各国保存的质量基准有问题,还是大K本身出现了问题,都不能确定。”中国计量科学研究院院长方向说。正如国际计量委员会副主席约阿希姆·乌尔里希的比喻:大K“掉在地上碎了”,宇宙万物的质量都会受到影响。

在北京石墨烯研究院院长、中国科学院院士刘忠范委员看来,我国目前遇到的“卡脖子”技术可以简单地分成两类,一类是“一招鲜”式的专门性或单一型技术,还有一类是集成型技术。“我们的产业技术分工常常是粗线条的,对精细技术缺乏耐心,只满足于拿来主义组合成产品赚钱,而轻视需要花时间去打磨的工匠型技术。”他说。

鉴于实物本身的不稳定性,科学界一直希望建立一个不依赖于物理实物的测量体系。20世纪以来,随着量子技术的发展,人类对自然界的基本物理量或常数的测量准确度极大提高,比如光速、普朗克常数等,而且还发现这些常数比实物更加稳定,不会发生变化。他们将计量单位与物理常数联系起来,以量子物理为基础的自然基准取代实物基准。这样不必担心它们发生变化或丢失和“掉在地上”损坏后,给全球计量量值一致性带来的灾难。而且,准确度大幅提高。

刘忠范委员长期关注国内外石墨烯行业。“我们跟国外不在一个频道上。”他说,我们关注的是立竿见影、容易带来利益的东西,而国外很多研发工作更多是面向未来的。

1967年,时间基准率先完成量子化变革,以铯-133原子超精细能级跃迁频率来定义秒:铯-133原子“振动”9192631770次的时间周期为1秒。重新定义后的秒,比以前的测量精度提升了上千万倍。然后是米,其新定义为光在真空中1/299792458秒内行进的距离,作为实物基准的米尺被光速这样的自然常数取代。

“我们必须改变观念,不能只关注短期利益,要多关注未来,重视推动更加精细化、个性化的技术分工。否则,‘卡脖子’不仅是现在进行时,未来也不可避免。只关注现在,就会丢掉未来。没有观念甚至文化上的转变,很难从根本上解决‘卡脖子’难题。”刘忠范委员呼吁。

大K是最后一个退出历史舞台的实物基准。千克的新定义根据质量与能量的关系来确定,以量子力学中用于计算光子能量的普朗克常数作为新标准。自此,国际单位制的七个计量单位,均实现量子化定义,实物基准被自然常数取代。

中国联通研究院院长张云勇委员认为,我们应该在面向未来的关键技术上进行突破。“在关键技术上不能仅靠追赶,还要把握未来,在人工智能、5G、区块链等数字经济领域要超前布局。”他说,以芯片行业为例,我国在通用芯片领域短期内可能很难赶上国外发达国家,但在代表未来的物联网芯片、人工智能芯片领域,几乎处于相同的起跑线上。

影响很小但又很大

把眼光放长远,会发现更多机遇。方向委员指出,我们既要夯实科技创新基础,又要抓住发展机遇。比如在先进测量技术领域,国际单位制正在进行量子化变革。“量子化变革带来了机遇与挑战,抓住了就会赢得战略主动,抓不住就有可能错失一个时代,甚至长期受制于人。”他建议国家研究并启动“中国量子度量衡”计划,尽早布局基础性和战略性领域的量子计量基准和量子计量标准,以支撑量子技术创新和产业发展。

计量单位的重新定义,对我们影响有多大?很小,但又很大。

改变科技经济“两张皮”局面

专家解释,国际单位制的新定义生效后,只会影响到对测量准确度要求比较高的行业以及顶尖计量机构和校准实验室等,对普通人以及我们日常生活不会造成直接影响。“你不会什么都没做,就发现自己减肥了。”方向开玩笑道。

企业是科技创新的主体,解决“卡脖子”问题,还需要更好地发挥这个主体的作用。但是,我们的企业目前大多比较重市场、轻研发,在技术上采取跟随策略。张天任代表调研发现,不少企业特别是民营中小型企业在创新上面临不少问题。比如,关键核心技术的创新往往需要迭代、试错之后才能成功,下游企业出于成本等考虑,往往优先考虑采购国外成熟的产品,导致国内企业创新风险大,客观上影响了国内企业的研发和创新进程。再比如,企业在人才结构上面临比较突出的矛盾,领军型、复合型人才非常稀缺,各地各企业虽为引才频频出招,但依然面临找不到、招不来、留不住的难题。

据国际计量局介绍,新定义生效后,电压单位伏特的量值将发生大约一千万分之一的变化,欧姆的变化则更小,千克、开尔文、摩尔的变化更是微乎其微。或许有人会问:变化如此微小,有何意义?

“我们的企业缺少研发力量,反过来我们的研发力量又不往企业走,科技与经济‘两张皮’问题突出。”刘忠范委员强调,这与当前的科技评价体系有关。方向委员也认为,我国科研机构进行的科研活动较为封闭,评价体系不科学,比如过于看重科研人员发表学术论文,而不是科研成果的产业化应用。中国航天科工三院院长张红文委员提醒,企业在创新中面临智力与知识资源缺失的问题,需加大和高校、科研院所的合作力度,创新合作模式。

计量是测量的科学及应用。测得出才能造得出,测得准才能造得精。“计量科学的每一次进步,都极大地提高了测量精度,扩大了测量范围。”方向说,先进的测量控制技术和精密仪器是科学发现的工具、技术创新的种子,许多具有划时代意义的科技成果都由此产生。

如何才能把实验室里的创新力变成国家竞争力?张云勇委员建议通过体制机制创新,让企业真正成为科技创新的主体。方向委员也建议,继续深化科技体制改革,尊重科学研究规律和技术创新规则,突出企业的创新主体地位,政府主要做好战略规划和政策环境等工作,剩下的工作要发挥市场的基础性作用。张红文委员认为,机制改革要从身边做起,航天科工三院成立了创新研究院,致力于推进开放性的创新体系建设,探索适应创新和未来发展的新体制、新机制。

比如,卫星导航之所以能实现,与时间测量精度的极大提高有重要关系。中国工程院院士李天初解释,在建立卫星导航系统时,每颗卫星上都有一个超精密的小钟。四颗卫星发射四个信号,分别就能解出地球上接收机的高度、维度、精度和时间,实现定位。“时间同步需要精准到10的负14次方,才能使定位精确到一米。如果时间不准,定位就不准。”

记者 陈海波

再比如,“米”以光速定义后,测量精度提高了万倍以上,实现了从原子尺度到宇宙尺度的全范围、高准确测量,由此诞生了激光测长技术,推动了纳米科技和精密制造的快速发展,也为深空探测奠定了精密时空测量基础。

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国际计量局相关负责人解释,我们目前正处于量子化革命的开端,用自然常数定义计量单位,是适应下一代科学发展的需要。用基本常数作为我们认识和定义质量、时间等自然界基本概念的基础,意味着我们在深化科学认知、推动技术进步、解决许多社会重大挑战方面的基础更加坚实了。

姓名:陈海波 工作单位:

“这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了。”该负责人说,就像1967年用原子的特性重新定义秒一样,尽管当时人们并不知道它可以用在哪里。

抓住机遇建立先进测量体系

国际单位制的变革以及正式生效,让科学界倍感振奋。“这对于我们建设世界科技强国和工业强国,是一个绝好的机遇,是一个天赐良机。”中国工程院院士谭久彬接受媒体采访时表示。

目前,我国获得国际计量互认的校准和测量能力跃居全球第三,自主可控的国家时间基准达到3000万年不差一秒,长度量子基准达到每米误差不多于50纳米,都跻身世界领先行列。在这次量子化变革中,我国对温度、质量的重新定义也作出了重要贡献,能够保证我国量值与国际等效一致。不过,方向指出,我国计量基础技术和设施还比较薄弱,对未来颠覆性技术系统性、前瞻性研究和布局不够,很多关键核心技术还受制于人。

量子化计量时代的到来,让中国有了赶超国际的机会。中国工程院院士尤政认为,国际单位制实现量子化后,新的测量技术将应运而生,“大家又重新回到了同一个起跑线上”。

“发达国家也有重建、改建测量体系的过程,如果我们抓好这次机遇,将极大地缩短追赶距离,甚至在很多方面能实现赶超。”谭久彬院士说,过去我国在测量能力上的短板不用再一点点补齐,而是要利用好量子化变革后量值传递扁平化的优势,尽快建立我国新的测量体系。方向也建议,将以量子计量基准为核心、扁平化量值溯源为特征的“国家先进测量体系”,作为国家科技基础设施发展的优先领域。

对此,国家市场监管总局副局长秦宜智在计量日主题活动上表示,将汇聚各方资源,加快制定量子化时代计量发展战略。并以计量量子化变革为契机,联合相关部门研究编制新一轮国家计量发展规划,加快推进国家现代先进测量体系建设,加强量子测量技术产业创新引领和布局发展。

“面对国际单位制量子化变革带来的机遇与挑战,抓住了就会赢得战略主动,抓不住就有可能错失一个时代,甚至长期受制于人。”方向说。

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