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专访方向：中国计量院的昨天、今天和明天

2015.10.21

　　分析测试百科网讯前不久，有媒体报道，中国计量科学研究院研制的锶87原子光晶格钟（锶光钟）数据首次被国际频率标准工作组采纳，为我国未来在重新定义秒的国际问题上争得了话语权。

　　中国计量科学研究院从1955年建院，今年已满60周年；已拥有自主研制的国家计量基准130项、标准296项、实现测量能力国际互认1224项，排名实现亚洲第一位、世界第四位，近80项科技成果获得国家科学技术奖，在十一五，十二五这十年间，共有13个科技进步奖，其中两项科技进步一等奖，……。时任副总理的王岐山同志2011年到中国计量院视察的时候曾说“没想到你们这儿藏了一个共和国宝贝”，一系列璀璨的数字，诠释着这个“共和国宝贝”为新中国所作出的贡献。近日，分析测试百科记者采访了中国计量科学研究院院长方向，听他讲讲中国计量院那些事儿。

中国计量科学研究院院长方向

　兵工厂“催生”中国计量院

　　计量（Metrology）：是测量及其应用的科学；是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动。谈到中国计量的历史，方院长先谈到了秦始皇，秦始皇是中国历史上最早统一“度量衡”的人，可谓中国最早的计量“局长”。“度”是长度，“量”是容量，“衡”是重量。“计量”（Metrology）一词就是由“度量衡”的概念演变而来。

　　早在中华民国时期，我国就有了度量衡局；新中国的计量局成立于1955年。关于计量局的成立，还有个小故事。中国计量局的首任局长叫钟林，他是兵器工业专家，新中国成立前后一直工作在兵器工业战线。抗美援朝时前线遇到一些问题，有时炮弹在膛里就爆炸或者是飞不远，造成自己人员伤亡，或打击不准。中央正着急时，钟林反馈：这是因为新中国工业的度量衡还未有统一的标准，各兵工厂用的“尺”可能出现了误差，结果造成炮和弹的尺寸不一，炮弹尺寸太大，会在膛里爆炸；太小则没有足够动力，打不远打不准。之后，钟林成为了中国计量院前身的机械工业工具研究所所长，国家计量局和计量科学研究院正式成立后，钟林任首任局长（院长），从此，新中国的计量体系正式上路……。

　　1965年，行政职能剥离出去后，中国计量科学研究院形成稳定的运行模式。1976年成立中国计量院四川分院，后发展为中国测试技术研究院，1998年，国务院批准中国计量科学研究院昌平实验基地项目，2009年正式投入运行； 2006年，计量纳入《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2010）》，2013年国务院发布《计量发展规划2013-2020》颁布，我国计量事业发展步入快车道，中国计量院也迎来了最重要的发展机遇期。

　计量学的定义和国际上的兄弟单位

　　按照国际计量局（BIPM）、国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）、国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）、国际临床化学和实验室医学联盟（IFCC）、国际法制计量组织（OIML）、国际实验室认可合作组织（ILAC）等八个国际组织联合制订的VIM国际标准ISO/IEC GUIDE 99:2007《国际计量学词汇基础和通用概念及有关术语》第三版（简称GUIDE 99），计量学被定义为“测量及其应用的科学”。并在注解中说明：“计量学包括测量的理论和实践的所有方面，不论测量不确定度大小和应用领域。”中国JJG1001－91《通用计量名词及定义》中定义：计量为实现单位统一、量值准确的活动。

　　那么既然计量是关于测量的科学，为什么不叫测量呢？这就涉及到了计量和测量的区别。测量是为确定量而进行的全部操作，是对非量化事物的量化过程，其目的是用数据描述事物。而计量是实现单位统一、保障量值准确可靠的活动，计量的目的是确保测量结果准确。准确性、一致性、溯源性和法制性是计量最重要的4个特征，而测量并不必须具备以上4个特征。因此计量源于测量，而又严于测量。狭义地讲，计量是与测量结果的置信度相关、与不确定度相联系的一种规范化测量，具备计量特性的测量活动才能获得有效的测量结果。

　　通俗地讲：如果事物可以量化测量，计量学就研究怎样测得更准；如果事物还不能量化测量，计量学就研究如何进行量化测量的方法。“凡是可以测量的，就要实现对它的测量；凡是还不能测量的，也要实现对它的测量”。

　　基于计量的战略地位，发达国家普遍高度重视计量。美国、德国、英国等44个国家和地区把计量（度量衡）写入宪法，作为中央事权和统一管理国家的基本要求。国际计量委员会所属的国际计量局（BIPM）设在法国，各国均设国家计量院（National Metrology Institutes, NMIs）, 美国国家标准与技术研究院NIST；德国联邦物理技术研究院(PTB)；英国国家物理研究院（NPL）是各自国家的国家计量院。中国计量科学研究院（NIM）是中国的唯一国家计量院。

　　目前，计量国际单位制（SI）共包括 7个基本量和单位，如下表：

基本量名称	长度	质量	时间	电流	热力学温度	物质量	发光强度
单位	m	kg	s	A	K	mol	cd
单位	米	千克	秒	安培	开尔文	摩尔	坎德拉

　计量的作用和战略地位

　　一般认为计量有两个方面的基础作用。一是建立信心。计量通过建立测量的溯源性，获得可靠的测量结果，使标准的结果可以检验，过程可以复现，进而实现人们对质量信赖。二是实现创新。计量通过测量科学和技术进步之间的相互依存和相互促进推动创新；新的测量技术也必然刺激新的产品、流程和服务的创新，同时也会推动劳动力新技能的产生和掌握。

　　聂荣臻元帅曾说过，“科技要发展，计量要先行。”回顾科技发展历程，计量一直和创新密切相关。一方面计量正是建立在最新科学理论和最先进的技术基础上的，很多最新发现的物理现象和理论第一次就是被用于新的计量基准。原子喷泉理论孕育了原子喷泉钟的诞生，奠定了原子时的基础，将时间基准提升到3千万年不差一秒的水平；飞秒激光光梳技术架起了光频与微波频率的桥梁，将光钟变为现实，从而有可能将时间频率标准的不确定度再提高到10^-18量级；再比如，约瑟夫森效应提升了电压基准，量子化霍尔效应提升了电阻基准，中国计量科学研究院张钟华院士利用量子化霍尔效应复现电阻基准，形成的电阻基准比现阶段国际最高水平高出10倍。最近的几十年里，共有14位计量科学家获得诺贝尔物理学奖；作为国际著名的计量科学奠基人的17位物理学家，他们的名字成为了计量单位，而他们名字的首字母更是成为了该计量单位的符号，比如：力值单位牛顿（N），电流单位安培（A），温度单位开尔文（K），电压单位伏特（V），功率单位瓦特（W）等。计量学往往是最新科学（特别是物理学）理论的最先应用和最佳载体，是科学发现和科技创新走向应用最重要的桥梁。

　　而另一方面，计量技术的发展，支撑着社会发展的各个方面；计量技术的创新，引领了科技和产业的创新。没有相应的测量技术不可能有新的科学知识，“凡是可以测量的，就要实现对它的测量；凡是还不能测量的，也要实现对它的测量”。准确有效的测量是认识世界的基础，更是改造世界的前提。秦始皇统一的度量衡制度促进了社会、军事、制造标准化的快速发展，巩固了其统治地位。美国首任总统华盛顿确定的联邦中央政府六项主要政权就包含度量衡管理权。

　　在现代社会中，计量更是举足轻重，80%以上的贸易必须通过测量才能够完成，工业化的国家测量活动对国民生产总值贡献率达到4%-6％；贸易结算与公平交易，火箭发射与卫星导航，精密制造与健康安全，网络互联与智能电网等，无一不与计量密切相关，无一能离开精密测量技术。在当前国家倡导的“质量强国”战略中，计量也起到及其关键的作用。国家质量基础设施（NQI）由计量、标准与合格评定（包括检验检测、认证认可）共同构成。计量是控制质量的基础，标准引领质量提升，合格评定建立质量信任。

国家质量基础设施（NQI）由计量、标准与合格评定（包括检验检测、认证认可）共同构成

　中国计量“基地”

　　专业院所：14个计量专业所

中国计量科学研究院的发展历程

　　中国计量院自建院以来已建立了长度与精密工程所、热工所、力学声学所、电磁所、信息电子所、光学所、电离辐射所、时间频率所、化学所、纳米与新材料所、能源环境所、医学生物所、工程所、战略研究所等领域的14个计量专业所，两个国家中心，即国家标准物质研究中心和国家时间频率计量中心。

　　近年来，随着中国计量院昌平院区的建成，一大批国际一流的计量实验投入运行，开展了应对SI基本单位重新定义的相关基本物理常数测量等前沿研究，启动了能源、生物、环境、微纳技术、医学、信息技术等服务国家战略性新兴产业发展和社会可持续发展的计量新领域研究工作，获得国际互认的国家校准测量能力数量跃居世界第四。通过不懈努力，我国计量科技水平已得到全面提升，基本实现了从“望其项背”到“并驾齐驱”，在一些领域具备了赶超发达国家的基础条件。

　　60年的发展，中国计量院从最初200平的四合院到几十万平米的科研基地，从当时没有等级的几架天平到上万台套的先进仪器设备，从连一颗小小的螺丝钉尺寸都无法达到统一的计量标准到为经济社会发展和重大工程建设保驾护航，中国计量科学研究院实现了从无到有、从弱到强的历史性跨越式发展。

　　人才建设：硕士以上人员占专业技术人员52%

　　现在的中国计量院人才济济，其中中国工程院院士2人、研究员73人、博士186人，硕士以上人员占专业技术人员52.07%，在职员工1000余人。其中新建的昌平院区占地56万平，拥有实验室350间，是国际合作和人才的培养基地。

中国计量科学研究院昌平院区

　　科技创新：服务于包括国家战略在内的各个行业

　　仪器和工具创新，达到国际最先进水平

　　“计量院所用的仪器，基本上都是靠自己，因为计量院所需要的测量精度一定不是普通商业仪器所能满足的。”方向说。

　　比如说，过去长度的基本单位1米的标准，是在国际计量局的一把英钢尺，但是随着时间、温度、湿度等外部环境的变化，都可能发生变化，不可避免地产生测量误差。随着量子技术和激光技术的成熟，国际计量委员会对1米进行了重新定义为：20摄氏度时，激光在真空中3亿分之一秒所走的距离。

　　中国计量院要自己设计装置，测量激光3亿分之一秒走的距离，目前的测量能够实现1米误差在60纳米以内（60纳米约为人头发直径的千分之一）。中国计量院尤其是物理类实验室几乎看不到成型的商业仪器，几乎都是自己搭建。“某种意义上来说，计量院的核心工作就是在研究仪器。”方向说。

中国计量院铯原子喷泉时间频率基准，不确定度为1.5×10^-15，相当于2000万年不差一秒，支撑定位系统和国防建设。NIM5数据被BIPM采纳，参与驾驭国际原子时。

　　2014年8月7日，国际计量局（BIPM）正式通知： “NIM5铯原子喷泉钟”通过评审，被接收为国际计量局（BIPM）认可的基准钟之一，作为世界上几台“最准的原子钟”之一参与驾驭国际原子时（TAI）。这标志着我国在国际标准时间的产生过程中不仅具备了话语权，更具备了表决权。2009年开始，计量院自主研制的铯原子时间频率基准钟NIM5作为国家北斗系统的地面基准钟而发挥了不可替代的作用，即将建成的NIM6原子钟，时间频率不确定度有望达到5×10^-16，相当于6000万年不差一秒，步入时间频率“第一梯队”。而正在研制的下一代锶原子光钟，预期时间频率不确定度将达到5×10^-18，相当于几十亿年不差一秒，甚至整个宇宙长河中，时间的误差都不会大于一秒。

　　在长度基准方面，中国计量院也做出了杰出的贡献，作为长度基准核心的稳频激光技术，曾先后获得国家自然科学二等奖，科技进步一等奖和二等奖。其中633nm和532nm两个波长激光成为国际十三个基准的组成部分。

　　另一项由中国计量院专家历经20多年完成的科研项目——量子化霍尔电阻基准，不仅解决了一系列国外尚未提出过的技术难题，使该基准的准确度比当时国外最好水平还高出10余倍，并在由国际计量委员会组织的关键比对中得到证实，水平位列世界第一。

量子化霍尔电阻基准

　　“十一五”以来，中国计量院更是收获累累，先后获得国家科技进步奖一等奖2项、二等奖11项、省部级奖近400余项。

　　中国计量院开展的各种以量子物理为基础的现代计量基准研究包括：波尔兹曼常数测量；能量天平法精密测量普朗克常数；精细结构常数测量；阿伏伽德罗常数测量；锶原子光晶格钟。在波尔兹曼常数测量领域，目前国际上只有中国计量院和美国NIST能够做到同时采用两种不同方法获得高水平的玻尔兹曼常数测量结果并相互印证，其测量结果被成功收录入CODATA数据库，取得了令世人瞩目的成绩。

　　在以化学纯物质准确测量为代表的化学计量基准研究中，计量院根据各种目标物特性，建立样品处理技术和测量技术。其中，标准物质国际互认数量位居国际前三位。关于为什么要研究和发展标准物质，方向院长表示：“在物理领域，只要有几个基本量就可以做到量值传递和溯源；但化学领域的化合物众多，而且测量的结果又与各种基质密切相关，所以目前全球只能研制更多的标准物质，来满足化学和生命科学领域不断涌现的测量需求，但科学家们希望有一天，在化学领域能找到更基础的、普适的测量量值溯源方法，建立起更有效的溯源链。”

　　服务各行各业

中国计量院服务国家重大需求

　　在国家安全和航天领域，除了前文讲过的铯原子钟服务北斗系统，计量院的工作还服务于航天如神舟工程、嫦娥工程，比如对航天的各种光学系统、表面性能等提供精确测量和分析参考。

　　在服务社会方面，计量院成功解决三峡超大口径12.4m超声流量计在复杂流态使用时的准确度评估难题，支持了发电效率评估。在新能源产业方面，计量院研制了与电动汽车充电计量有关的4套计量标准装置，编制了两项国家标准已发布实施，为电动汽车充电设施的电能准确计量提供了有效的手段。除此之外，计量院在能源贸易、节能环保、轨道交通、食品安全、医学诊疗等各个领域都发挥了巨大的作用。

　　在国计民生领域中国人已经历过的历次突发事件中，中国计量院更是充当起了领头军的作用。在之前的禽流感、非典、三聚氰胺等事件中，中国计量院一直都是身先士卒，为国民的健康担负起重要的责任。