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解读计量

解读计量

【摘要】:

一、计量的定义

计量历史源远流长。在古代,计量被称为“度量衡”。度指长度,量指容量,衡指质量,度量衡就是关于长度、容量、质量的测量。度量衡的单位最初都与人体相关,比如“布手知尺”“迈步定亩”“掬手为升”。秦始皇统一全国后,推行“一法度、衡石、丈尺、车同轨、书同文字”,颁布了统一度量衡诏书,制定了一套严格的管理制度,极大促进了商品交换、经济发展。中华文明五千年,但凡朝代变迁必重整“度量衡”。“度量衡”在历史上不仅是一般的技术活动,更是皇权、主权的象征和国家治理的重要组成部分。

在现代,计量的科学内涵远远超出“度量衡”的内容。计量的定义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。从词源上看,计量一词在我国古代典籍中虽很早出现,但与现代“计量”的含义并无关联,现代“计量”是由“度量衡”的概念逐步衍生而来的。计量一词对应英语metrology,根据维基百科,metrology由希腊语measure加上后缀logos构成。希腊文中的logos有“宇宙万物之规律,绝对之准绳,以及人类一切的依归”的意思。组合起来看,似乎也隐含着“计量是测量的准绳和一切的依归”的意思。

需要强调的是,虽然计量是关于测量的科学,但其不同于测量。测量是为确定量值而进行的全部操作,是对非量化实物的量化过程,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。准确性、一致性、溯源性和法制性是计量最重要的四个特征,测量则不必具备以上所有特征。因此计量属于测量的一种,源于测量而又严于测量。整体来看,计量科学主要有两项任务,一是一切事物只要可以测量,就要测得更准;二是一切尚不可测量的事物,要实现对其可测量。

二、计量的作用

计量的作用可以从第一家现代计量院德国计量院的诞生讲起。大家现在一提到“德国制造”,就代表着高品质、高质量。但100多年前却不是这样的。1887年8月,英国议会通过了一项侮辱性的商标法条款,规定所有从德国进口的商品必须标注“Made in Germany”字样,以此将价廉质劣的德国货与优质的英国产品区分开来。为了不断提高产品质量水平,德国学者和企业家们纷纷向国家提出发展相关测量技术的提议,其中最为著名的就是德国企业家西门子。他认为:要使德国能够追赶上当时繁荣的工业国家如英国和法国,不仅需要高度重视自然科学,更需要将科学发现及时转化为技术应用并探索科学技术的商业化,从而促进德国的工业化进程和扩大产品出口。为此,他建议由国家而非私营企业成立专门的科学技术研究院(即帝国技术物理研究所PTR,现改名为德意志联邦物理技术研究院PTB,主要负责研究、建立、维护德国计量基准和标准),作为提高德国工业竞争力的一个前提条件,并为此捐助了1.2公顷的土地和30万马克的资金。作为德国国家计量院,PTR在建立后的100多年里,为德国工业与科学技术的发展提供了强有力的支撑,其计量技术研究的诸多成果为德国制造业腾飞插上了翅膀,特别是在精密测量技术领域的研究始终保持全球领先地位,在保证德国工业产品质量方面起到了关键作用。在计量的支撑下,德国制造从“山寨”走向高品质,最终造就了今天“德国制造”金字招牌!也因此,德国计量院被公认具有“德国制造”的灵魂。

德国计量院成立之后,英国、美国等国家也纷纷意识到了计量对工业发展的重要作用,分别于1900年和1901年成立了英国国家物理实验室NPL(即英国计量院)和美国国家标准技术研究院NIST(即美国计量院)。美国计量院的使命是通过先进的测量能力提升美国的创新和工业竞争力,保证经济安全、提高人民生活质量。2014年,美国众议院修改通过了《振兴美国制造业和创新法案2014》,目标是在战略层面提升美国先进制造能力,为此还专门成立11个创新中心,并将其中6个创新中心和先进制造国家创新网络计划办公室设在了美国计量院,主要是基于美国计量院拥有创造的基因、创新的核心支撑能力和最优的质量控制水平,同时对《国家标准与技术研究院(NIST)法案》进行修订。2017年,美国计量院申请经费预算高达30亿美元,其中19.9亿美元将用于美国制造业创新中心的建设。

从德国计量院和美国计量院的诞生、定位和使命可以看出计量在国家发展中的关键性作用,尤其是在科技迅速发展和经济日益全球化的今天,计量关系国计民生,像空气一样,与人类生产生活紧密相连。计量是科技创新的种子、社会进步的基石,是创造质量和控制质量的重要物质手段,是保证国民经济正常运行和公平贸易的基础,也成为国家核心竞争力的重要标志之一。毫无疑问,计量支撑发展,质量成就未来。具体而言,计量在科技创新、质量提升和贸易往来中的重要作用如下:

计量是科技创新的引擎。计量是认识世界和改造世界的手段和工具。科学研究离不开先进的测量仪器和精密的测试技术,绝大多数诺贝尔物理奖获奖成果都和测量技术息息相关,要么是由于计量技术的突破带来重大发展,要么是重大技术的发明直接推动了计量技术的革命。科技和计量相辅相成、互相促进。计量科学被普遍认为是离诺贝尔物理奖最近的一个学科。近年来,美国计量院诞生了4位诺贝尔奖的获得者。门捷列夫曾说过“没有测量,就没有科学”,数百年来的科学实践不断证明了这一真理。

计量是控制质量的基础。谈到计量与质量的关系,我们经常说“没有规矩不成方圆”。所谓规、矩,分别是指校正圆和方的两件计量器具。当规和矩合二为一时,便为规矩,指的是法度、标准。规、矩和规矩之间,就形成了内在联系。可以说,没有规、矩,何来规矩!没有规矩,规、矩何用!如果我们认为标准确定了需要的方、圆及其规格大小,则计量确保了方是方、圆是圆,以及方圆之规格符合标准之规定,也就是确保了质量的预期。因此可以说,标准规定了质量的要求,计量确保了质量的实现。计量是标准的基础,更是质量的基础。优质的原材料、先进的工艺装备和准确的计量手段是现代工业生产的三大支柱。计量被称作现代工业产品质量的眼睛,测得到,才能做得到;测得准,才能做得精!

计量是贸易往来的纽带,是公平交易的基础。最有象征意义的计量器具——“天平”,一直代表着一种永恒的理念——“只有准确的计量才能真正体现社会的公平”。超过80%的贸易必须经过测量才能实现,工业化国家的测量活动对其国民生产总值的贡献率达4%~6%。在国际贸易中,计量的准确性和结果的一致性,涉及国家经济利益,有助于促进贸易公平公正,并消除技术性贸易壁垒。

计量在国家治理、支撑国防现代化建设等方面也同样作用重大,不再一一阐述。

三、计量的未来展望

历史上每一次工业革命都伴随着测量技术的飞跃和计量的重大变革。基于牛顿定律的力学、热学测量的发展和“度量衡”的高度统一,开启了以机器代替手工劳动的第一次工业革命;电测量的实现和《米制公约》的签署,迎来了“电气时代”的第二次工业革命;测量领域的拓展、测量精度的提升和国际计量单位(SI)的正式建立,奠定了以信息控制为主导的第三次工业革命。

新一代工业革命正在孕育兴起,将深刻影响着经济、科技、社会各方面的发展。计量技术体系也正在经历历史性变革。2018年,国际计量单位制将重新定义,世界测量技术规则将予以重构,由此带来的影响广泛而深远。最突出的体现就是“计量单位量子化”和“量值溯源扁平化”,这一变革将带动相关产业实现跨越式发展。目前,量子技术与信息技术正在相互融合,量子技术+互联网技术的发展模式,将掀起一场真正的计量科学、甚至是整个测量科学的革命,更加精准、更加快速、更加尖端、更加泛在的计量,不再是遥远的期待。

所以说,以“计量基准量子化”和“量值传递扁平化”为主要特征的国际计量变革,将完美契合以信息物理融合系统为基础的第四次工业革命的开启。

计量的未来在哪里?一是基于量子物理的新一代国际单位制;二是突破极限的测量,从原子尺度到超大尺寸范围内的测量,在极端条件下的测量、在干扰或快速变化环境中的测量;三是智能和互联式测量,实现物联网大量的仪器仪表或传感器的在线、远程及扁平化量值溯源;四是嵌入式测量,将计量植入到生产过程,将最精准的计量基标准融入到机器。比如美国的“NIST on Chip”计划,就是将美国计量院NIST最精密的测量基准、标准集中在一个芯片上。

为应对国际计量变革和计量体系的重构,欧洲提出了“计量研究创新计划”以及“量子宣言”,投资数十亿欧元,支撑新一轮的科技革命和产业变革。我国高度重视计量变革带来的机遇,在科技部、财政部、发改委等部门的大力支持下,从“十一五”开始,布局了一批量子计量研究项目;“十二五”期间,在量子计量基准和基本单位重新定义方面实现了重大突破,并开辟了医学、生物等计量新领域。“十三五”期间,适逢国家科技体制改革,启动实施了国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”项目,有望在“十三五”期间在更多的关键领域实现“领跑”。

计量是认识世界和改造世界的工具,也是探索动态变化世界的一把钥匙。正是因为有了对量的认识和测量手段、测量精度的不断提升,才不断提高人类认识世界和改造世界的能力,并推动人类社会不断发展。