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新聞中心

解讀計量


一、計量的定義

計量歷史源遠流長。在古代,計量被稱為“度量衡”。度指長度,量指容量,衡指質量,度量衡就是關于長度、容量、質量的測量。度量衡的單位最初都與人體相關,比如“布手知尺”“邁步定畝”“掬手為升”。秦始皇統一全國后,推行“一法度、衡石、丈尺、車同軌、書同文字”,頒布了統一度量衡詔書,制定了一套嚴格的管理制度,極大促進了商品交換、經濟發展。中華文明五千年,但凡朝代變遷必重整“度量衡”。“度量衡”在歷史上不僅是一般的技術活動,更是皇權、主權的象征和國家治理的重要組成部分。

在現代,計量的科學內涵遠遠超出“度量衡”的內容。計量的定義是測量及其應用的科學,是實現單位統一、保證量值準確可靠的活動。從詞源上看,計量一詞在我國古代典籍中雖很早出現,但與現代“計量”的含義并無關聯,現代“計量”是由“度量衡”的概念逐步衍生而來的。計量一詞對應英語metrology,根據維基百科,metrology由希臘語measure加上后綴logos構成。希臘文中的logos有“宇宙萬物之規律,絕對之準繩,以及人類一切的依歸”的意思。組合起來看,似乎也隱含著“計量是測量的準繩和一切的依歸”的意思。

需要強調的是,雖然計量是關于測量的科學,但其不同于測量。測量是為確定量值而進行的全部操作,是對非量化實物的量化過程,其目的是用數據描述事物。而計量是實現單位統一、保障量值準確可靠的活動。準確性、一致性、溯源性和法制性是計量最重要的四個特征,測量則不必具備以上所有特征。因此計量屬于測量的一種,源于測量而又嚴于測量。整體來看,計量科學主要有兩項任務,一是一切事物只要可以測量,就要測得更準;二是一切尚不可測量的事物,要實現對其可測量。

二、計量的作用

計量的作用可以從第一家現代計量院德國計量院的誕生講起。大家現在一提到“德國制造”,就代表著高品質、高質量。但100多年前卻不是這樣的。1887年8月,英國議會通過了一項侮辱性的商標法條款,規定所有從德國進口的商品必須標注“Made in Germany”字樣,以此將價廉質劣的德國貨與優質的英國產品區分開來。為了不斷提高產品質量水平,德國學者和企業家們紛紛向國家提出發展相關測量技術的提議,其中最為著名的就是德國企業家西門子。他認為:要使德國能夠追趕上當時繁榮的工業國家如英國和法國,不僅需要高度重視自然科學,更需要將科學發現及時轉化為技術應用并探索科學技術的商業化,從而促進德國的工業化進程和擴大產品出口。為此,他建議由國家而非私營企業成立專門的科學技術研究院(即帝國技術物理研究所PTR,現改名為德意志聯邦物理技術研究院PTB,主要負責研究、建立、維護德國計量基準和標準),作為提高德國工業競爭力的一個前提條件,并為此捐助了1.2公頃的土地和30萬馬克的資金。作為德國國家計量院,PTR在建立后的100多年里,為德國工業與科學技術的發展提供了強有力的支撐,其計量技術研究的諸多成果為德國制造業騰飛插上了翅膀,特別是在精密測量技術領域的研究始終保持全球領先地位,在保證德國工業產品質量方面起到了關鍵作用。在計量的支撐下,德國制造從“山寨”走向高品質,最終造就了今天“德國制造”金字招牌!也因此,德國計量院被公認具有“德國制造”的靈魂。

德國計量院成立之后,英國、美國等國家也紛紛意識到了計量對工業發展的重要作用,分別于1900年和1901年成立了英國國家物理實驗室NPL(即英國計量院)和美國國家標準技術研究院NIST(即美國計量院)。美國計量院的使命是通過先進的測量能力提升美國的創新和工業競爭力,保證經濟安全、提高人民生活質量。2014年,美國眾議院修改通過了《振興美國制造業和創新法案2014》,目標是在戰略層面提升美國先進制造能力,為此還專門成立11個創新中心,并將其中6個創新中心和先進制造國家創新網絡計劃辦公室設在了美國計量院,主要是基于美國計量院擁有創造的基因、創新的核心支撐能力和最優的質量控制水平,同時對《國家標準與技術研究院(NIST)法案》進行修訂。2017年,美國計量院申請經費預算高達30億美元,其中19.9億美元將用于美國制造業創新中心的建設。

從德國計量院和美國計量院的誕生、定位和使命可以看出計量在國家發展中的關鍵性作用,尤其是在科技迅速發展和經濟日益全球化的今天,計量關系國計民生,像空氣一樣,與人類生產生活緊密相連。計量是科技創新的種子、社會進步的基石,是創造質量和控制質量的重要物質手段,是保證國民經濟正常運行和公平貿易的基礎,也成為國家核心競爭力的重要標志之一。毫無疑問,計量支撐發展,質量成就未來。具體而言,計量在科技創新、質量提升和貿易往來中的重要作用如下:

計量是科技創新的引擎。計量是認識世界和改造世界的手段和工具??茖W研究離不開先進的測量儀器和精密的測試技術,絕大多數諾貝爾物理獎獲獎成果都和測量技術息息相關,要么是由于計量技術的突破帶來重大發展,要么是重大技術的發明直接推動了計量技術的革命??萍己陀嬃肯噍o相成、互相促進。計量科學被普遍認為是離諾貝爾物理獎最近的一個學科。近年來,美國計量院誕生了4位諾貝爾獎的獲得者。門捷列夫曾說過“沒有測量,就沒有科學”,數百年來的科學實踐不斷證明了這一真理。

計量是控制質量的基礎。談到計量與質量的關系,我們經常說“沒有規矩不成方圓”。所謂規、矩,分別是指校正圓和方的兩件計量器具。當規和矩合二為一時,便為規矩,指的是法度、標準。規、矩和規矩之間,就形成了內在聯系??梢哉f,沒有規、矩,何來規矩!沒有規矩,規、矩何用!如果我們認為標準確定了需要的方、圓及其規格大小,則計量確保了方是方、圓是圓,以及方圓之規格符合標準之規定,也就是確保了質量的預期。因此可以說,標準規定了質量的要求,計量確保了質量的實現。計量是標準的基礎,更是質量的基礎。優質的原材料、先進的工藝裝備和準確的計量手段是現代工業生產的三大支柱。計量被稱作現代工業產品質量的眼睛,測得到,才能做得到;測得準,才能做得精!

計量是貿易往來的紐帶,是公平交易的基礎。最有象征意義的計量器具——“天平”,一直代表著一種永恒的理念——“只有準確的計量才能真正體現社會的公平”。超過80%的貿易必須經過測量才能實現,工業化國家的測量活動對其國民生產總值的貢獻率達4%~6%。在國際貿易中,計量的準確性和結果的一致性,涉及國家經濟利益,有助于促進貿易公平公正,并消除技術性貿易壁壘。

計量在國家治理、支撐國防現代化建設等方面也同樣作用重大,不再一一闡述。

三、計量的未來展望

歷史上每一次工業革命都伴隨著測量技術的飛躍和計量的重大變革?;谂nD定律的力學、熱學測量的發展和“度量衡”的高度統一,開啟了以機器代替手工勞動的第一次工業革命;電測量的實現和《米制公約》的簽署,迎來了“電氣時代”的第二次工業革命;測量領域的拓展、測量精度的提升和國際計量單位(SI)的正式建立,奠定了以信息控制為主導的第三次工業革命。

新一代工業革命正在孕育興起,將深刻影響著經濟、科技、社會各方面的發展。計量技術體系也正在經歷歷史性變革。2018年,國際計量單位制將重新定義,世界測量技術規則將予以重構,由此帶來的影響廣泛而深遠。最突出的體現就是“計量單位量子化”和“量值溯源扁平化”,這一變革將帶動相關產業實現跨越式發展。目前,量子技術與信息技術正在相互融合,量子技術+互聯網技術的發展模式,將掀起一場真正的計量科學、甚至是整個測量科學的革命,更加精準、更加快速、更加尖端、更加泛在的計量,不再是遙遠的期待。

所以說,以“計量基準量子化”和“量值傳遞扁平化”為主要特征的國際計量變革,將完美契合以信息物理融合系統為基礎的第四次工業革命的開啟。

計量的未來在哪里?一是基于量子物理的新一代國際單位制;二是突破極限的測量,從原子尺度到超大尺寸范圍內的測量,在極端條件下的測量、在干擾或快速變化環境中的測量;三是智能和互聯式測量,實現物聯網大量的儀器儀表或傳感器的在線、遠程及扁平化量值溯源;四是嵌入式測量,將計量植入到生產過程,將最精準的計量基標準融入到機器。比如美國的“NIST on Chip”計劃,就是將美國計量院NIST最精密的測量基準、標準集中在一個芯片上。

為應對國際計量變革和計量體系的重構,歐洲提出了“計量研究創新計劃”以及“量子宣言”,投資數十億歐元,支撐新一輪的科技革命和產業變革。我國高度重視計量變革帶來的機遇,在科技部、財政部、發改委等部門的大力支持下,從“十一五”開始,布局了一批量子計量研究項目;“十二五”期間,在量子計量基準和基本單位重新定義方面實現了重大突破,并開辟了醫學、生物等計量新領域。“十三五”期間,適逢國家科技體制改革,啟動實施了國家重點研發計劃“國家質量基礎的共性技術研究與應用”項目,有望在“十三五”期間在更多的關鍵領域實現“領跑”。

計量是認識世界和改造世界的工具,也是探索動態變化世界的一把鑰匙。正是因為有了對量的認識和測量手段、測量精度的不斷提升,才不斷提高人類認識世界和改造世界的能力,并推動人類社會不斷發展。

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