分析測試百科網訊 前不久，有媒體報道，中國計量科學研究院研制的鍶87原子光晶格鐘（鍶光鐘）數據首次被國際頻率標準工作組采納，為我國未來在重新定義秒的國際問題上爭得了話語權。

　　中國計量科學研究院從1955年建院，今年已滿60周年；已擁有自主研制的國家計量基準130項、標準296項、實現測量能力國際互認1224項，排名實現亞洲第一位、世界第四位，近80項科技成果獲得國家科學技術獎，在十一五，十二五這十年間，共有13個科技進步獎，其中兩項科技進步一等獎，……。時任副總理的王岐山同志2011年到中國計量院視察的時候曾說“沒想到你們這兒藏了一個共和國寶貝”，一系列璀璨的數字，詮釋著這個“共和國寶貝”為新中國所作出的貢獻。近日，分析測試百科記者采訪了中國計量科學研究院院長方向，聽他講講中國計量院那些事兒。

　　

中國計量科學研究院院長 方向

　兵工廠“催生”中國計量院

　　計量（Metrology）：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。談到中國計量的歷史，方院長先談到了秦始皇，秦始皇是中國歷史上最早統一“度量衡”的人，可謂中國最早的計量“局長”。“度”是長度，“量”是容量，“衡”是重量。“計量”（Metrology）一詞就是由“度量衡”的概念演變而來。

　　早在中華民國時期，我國就有了度量衡局；新中國的計量局成立于1955年。關于計量局的成立，還有個小故事。中國計量局的首任局長叫鐘林，他是兵器工業專家，新中國成立前后一直工作在兵器工業戰線。抗美援朝時前線遇到一些問題，有時炮彈在膛里就爆炸或者是飛不遠，造成自己人員傷亡，或打擊不準。中央正著急時，鐘林反饋：這是因為新中國工業的度量衡還未有統一的標準，各兵工廠用的“尺”可能出現了誤差，結果造成炮和彈的尺寸不一，炮彈尺寸太大，會在膛里爆炸；太小則沒有足夠動力，打不遠打不準。之后，鐘林成為了中國計量院前身的機械工業工具研究所所長，國家計量局和計量科學研究院正式成立后，鐘林任首任局長（院長），從此，新中國的計量體系正式上路……。

　　1965年，行政職能剝離出去后，中國計量科學研究院形成穩定的運行模式。1976年成立中國計量院四川分院，后發展為中國測試技術研究院，1998年，國務院批準中國計量科學研究院昌平實驗基地項目，2009年正式投入運行； 2006年，計量納入《國家中長期科技發展規劃綱要（2006-2010）》，2013年國務院發布《計量發展規劃2013-2020》頒布，我國計量事業發展步入快車道，中國計量院也迎來了最重要的發展機遇期。

　計量學的定義和國際上的兄弟單位

　　按照國際計量局（BIPM）、國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）、國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）、國際臨床化學和實驗室醫學聯盟（IFCC）、國際法制計量組織（OIML）、國際實驗室認可合作組織（ILAC）等八個國際組織聯合制訂的VIM國際標準ISO/IEC GUIDE 99:2007《國際計量學詞匯基礎和通用概念及有關術語》第三版（簡稱GUIDE 99），計量學被定義為“測量及其應用的科學”。并在注解中說明：“計量學包括測量的理論和實踐的所有方面，不論測量不確定度大小和應用領域。”中國JJG1001－91《通用計量名詞及定義》中定義：計量為實現單位統一、量值準確的活動。

　　那么既然計量是關于測量的科學，為什么不叫測量呢？這就涉及到了計量和測量的區別。測量是為確定量而進行的全部操作，是對非量化事物的量化過程，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，計量的目的是確保測量結果準確。準確性、一致性、溯源性和法制性是計量最重要的4個特征，而測量并不必須具備以上4個特征。因此計量源于測量，而又嚴于測量。狹義地講，計量是與測量結果的置信度相關、與不確定度相聯系的一種規范化測量，具備計量特性的測量活動才能獲得有效的測量結果。

　　通俗地講：如果事物可以量化測量，計量學就研究怎樣測得更準；如果事物還不能量化測量，計量學就研究如何進行量化測量的方法。“凡是可以測量的，就要實現對它的測量；凡是還不能測量的，也要實現對它的測量”。

　　基于計量的戰略地位，發達國家普遍高度重視計量。美國、德國、英國等44個國家和地區把計量（度量衡）寫入憲法，作為中央事權和統一管理國家的基本要求。國際計量委員會所屬的國際計量局（BIPM）設在法國，各國均設國家計量院（National Metrology Institutes, NMIs）, 美國國家標準與技術研究院NIST；德國聯邦物理技術研究院(PTB)；英國國家物理研究院（NPL）是各自國家的國家計量院。中國計量科學研究院（NIM）是中國的唯一國家計量院。

　　目前，計量國際單位制（SI）共包括 7個基本量和單位，如下表：

基本量名稱	長度	質量	時間	電流	熱力學溫度	物質量	發光強度
單位	m	kg	s	A	K	mol	cd
米	千克	秒	安培	開爾文	摩爾	坎德拉

　計量的作用和戰略地位

　　一般認為計量有兩個方面的基礎作用。一是建立信心。計量通過建立測量的溯源性，獲得可靠的測量結果，使標準的結果可以檢驗，過程可以復現，進而實現人們對質量信賴。二是實現創新。計量通過測量科學和技術進步之間的相互依存和相互促進推動創新；新的測量技術也必然刺激新的產品、流程和服務的創新，同時也會推動勞動力新技能的產生和掌握。

　　聶榮臻元帥曾說過，“科技要發展，計量要先行。”回顧科技發展歷程，計量一直和創新密切相關。一方面計量正是建立在最新科學理論和最先進的技術基礎上的，很多最新發現的物理現象和理論第一次就是被用于新的計量基準。原子噴泉理論孕育了原子噴泉鐘的誕生，奠定了原子時的基礎，將時間基準提升到3千萬年不差一秒的水平；飛秒激光光梳技術架起了光頻與微波頻率的橋梁，將光鐘變為現實，從而有可能將時間頻率標準的不確定度再提高到10^-18量級；再比如，約瑟夫森效應提升了電壓基準，量子化霍爾效應提升了電阻基準，中國計量科學研究院張鐘華院士利用量子化霍爾效應復現電阻基準，形成的電阻基準比現階段國際最高水平高出10倍。最近的幾十年里，共有14位計量科學家獲得諾貝爾物理學獎；作為國際著名的計量科學奠基人的17位物理學家，他們的名字成為了計量單位，而他們名字的首字母更是成為了該計量單位的符號，比如：力值單位牛頓（N），電流單位安培（A），溫度單位開爾文（K），電壓單位伏特（V），功率單位瓦特（W）等。計量學往往是最新科學（特別是物理學）理論的最先應用和最佳載體，是科學發現和科技創新走向應用最重要的橋梁。

　　而另一方面，計量技術的發展，支撐著社會發展的各個方面；計量技術的創新，引領了科技和產業的創新。沒有相應的測量技術不可能有新的科學知識，“凡是可以測量的，就要實現對它的測量；凡是還不能測量的，也要實現對它的測量”。準確有效的測量是認識世界的基礎，更是改造世界的前提。秦始皇統一的度量衡制度促進了社會、軍事、制造標準化的快速發展，鞏固了其統治地位。美國首任總統華盛頓確定的聯邦中央政府六項主要政權就包含度量衡管理權。

　　在現代社會中，計量更是舉足輕重，80%以上的貿易必須通過測量才能夠完成，工業化的國家測量活動對國民生產總值貢獻率達到4%-6％；貿易結算與公平交易，火箭發射與衛星導航，精密制造與健康安全，網絡互聯與智能電網等，無一不與計量密切相關，無一能離開精密測量技術。在當前國家倡導的“質量強國”戰略中，計量也起到及其關鍵的作用。國家質量基礎設施（NQI）由計量、標準與合格評定（包括檢驗檢測、認證認可）共同構成。計量是控制質量的基礎，標準引領質量提升，合格評定建立質量信任。

國家質量基礎設施（NQI）由計量、標準與合格評定（包括檢驗檢測、認證認可）共同構成

　中國計量“基地”

　　專業院所：14個計量專業所

　

中國計量科學研究院的發展歷程

　　中國計量院自建院以來已建立了長度與精密工程所、熱工所、力學聲學所、電磁所、信息電子所、光學所、電離輻射所、時間頻率所、化學所、納米與新材料所、能源環境所、醫學生物所、工程所、戰略研究所等領域的14個計量專業所，兩個國家中心，即國家標準物質研究中心和國家時間頻率計量中心。

　　近年來，隨著中國計量院昌平院區的建成，一大批國際一流的計量實驗投入運行，開展了應對SI基本單位重新定義的相關基本物理常數測量等前沿研究，啟動了能源、生物、環境、微納技術、醫學、信息技術等服務國家戰略性新興產業發展和社會可持續發展的計量新領域研究工作，獲得國際互認的國家校準測量能力數量躍居世界第四。通過不懈努力，我國計量科技水平已得到全面提升，基本實現了從“望其項背”到“并駕齊驅”，在一些領域具備了趕超發達國家的基礎條件。

　　60年的發展，中國計量院從最初200平的四合院到幾十萬平米的科研基地，從當時沒有等級的幾架天平到上萬臺套的先進儀器設備，從連一顆小小的螺絲釘尺寸都無法達到統一的計量標準到為經濟社會發展和重大工程建設保駕護航，中國計量科學研究院實現了從無到有、從弱到強的歷史性跨越式發展。

　　人才建設：碩士以上人員占專業技術人員52%

　　現在的中國計量院人才濟濟，其中中國工程院院士2人、研究員73人、博士186人，碩士以上人員占專業技術人員52.07%，在職員工1000余人。其中新建的昌平院區占地56萬平，擁有實驗室350間，是國際合作和人才的培養基地。

中國計量科學研究院昌平院區

　　科技創新：服務于包括國家戰略在內的各個行業

　　儀器和工具創新，達到國際最先進水平

　　“計量院所用的儀器，基本上都是靠自己，因為計量院所需要的測量精度一定不是普通商業儀器所能滿足的。”方向說。

　　比如說，過去長度的基本單位1米的標準，是在國際計量局的一把英鋼尺，但是隨著時間、溫度、濕度等外部環境的變化，都可能發生變化，不可避免地產生測量誤差。隨著量子技術和激光技術的成熟，國際計量委員會對1米進行了重新定義為：20攝氏度時，激光在真空中3億分之一秒所走的距離。

　　中國計量院要自己設計裝置，測量激光3億分之一秒走的距離，目前的測量能夠實現1米誤差在60納米以內（60納米約為人頭發直徑的千分之一）。中國計量院尤其是物理類實驗室幾乎看不到成型的商業儀器，幾乎都是自己搭建。“某種意義上來說，計量院的核心工作就是在研究儀器。”方向說。

中國計量院銫原子噴泉時間頻率基準，不確定度為1.5×10^-15，相當于2000萬年不差一秒，支撐定位系統和國防建設。NIM5數據被BIPM采納，參與駕馭國際原子時。

　　2014年8月7日，國際計量局（BIPM）正式通知： “NIM5銫原子噴泉鐘”通過評審，被接收為國際計量局（BIPM）認可的基準鐘之一，作為世界上幾臺“最準的原子鐘”之一參與駕馭國際原子時（TAI）。這標志著我國在國際標準時間的產生過程中不僅具備了話語權，更具備了表決權。2009年開始，計量院自主研制的銫原子時間頻率基準鐘NIM5作為國家北斗系統的地面基準鐘而發揮了不可替代的作用，即將建成的NIM6原子鐘，時間頻率不確定度有望達到5×10^-16，相當于6000萬年不差一秒，步入時間頻率“第一梯隊”。而正在研制的下一代鍶原子光鐘，預期時間頻率不確定度將達到5×10^-18，相當于幾十億年不差一秒，甚至整個宇宙長河中，時間的誤差都不會大于一秒。

　　在長度基準方面，中國計量院也做出了杰出的貢獻，作為長度基準核心的穩頻激光技術，曾先后獲得國家自然科學二等獎，科技進步一等獎和二等獎。其中633nm和532nm兩個波長激光成為國際十三個基準的組成部分。

　　另一項由中國計量院專家歷經20多年完成的科研項目——量子化霍爾電阻基準，不僅解決了一系列國外尚未提出過的技術難題，使該基準的準確度比當時國外最好水平還高出10余倍，并在由國際計量委員會組織的關鍵比對中得到證實，水平位列世界第一。

　

量子化霍爾電阻基準

　　“十一五”以來，中國計量院更是收獲累累，先后獲得國家科技進步獎一等獎2項、二等獎11項、省部級獎近400余項。

　　中國計量院開展的各種以量子物理為基礎的現代計量基準研究包括：波爾茲曼常數測量；能量天平法精密測量普朗克常數；精細結構常數測量；阿伏伽德羅常數測量；鍶原子光晶格鐘。在波爾茲曼常數測量領域，目前國際上只有中國計量院和美國NIST能夠做到同時采用兩種不同方法獲得高水平的玻爾茲曼常數測量結果并相互印證，其測量結果被成功收錄入CODATA數據庫，取得了令世人矚目的成績。

　　在以化學純物質準確測量為代表的化學計量基準研究中，計量院根據各種目標物特性，建立樣品處理技術和測量技術。其中，標準物質國際互認數量位居國際前三位。關于為什么要研究和發展標準物質，方向院長表示：“在物理領域，只要有幾個基本量就可以做到量值傳遞和溯源；但化學領域的化合物眾多，而且測量的結果又與各種基質密切相關，所以目前全球只能研制更多的標準物質，來滿足化學和生命科學領域不斷涌現的測量需求，但科學家們希望有一天，在化學領域能找到更基礎的、普適的測量量值溯源方法，建立起更有效的溯源鏈。”

　　服務各行各業

　

中國計量院服務國家重大需求

　　在國家安全和航天領域，除了前文講過的銫原子鐘服務北斗系統，計量院的工作還服務于航天如神舟工程、嫦娥工程，比如對航天的各種光學系統、表面性能等提供精確測量和分析參考。

　　在服務社會方面，計量院成功解決三峽超大口徑12.4m超聲流量計在復雜流態使用時的準確度評估難題，支持了發電效率評估。在新能源產業方面，計量院研制了與電動汽車充電計量有關的4套計量標準裝置，編制了兩項國家標準已發布實施，為電動汽車充電設施的電能準確計量提供了有效的手段。除此之外，計量院在能源貿易、節能環保、軌道交通、食品安全、醫學診療等各個領域都發揮了巨大的作用。

　　在國計民生領域中國人已經歷過的歷次突發事件中，中國計量院更是充當起了領頭軍的作用。在之前的禽流感、非典、三聚氰胺等事件中，中國計量院一直都是身先士卒，為國民的健康擔負起重要的責任。

　未來發展目標

　　談到中國計量院的未來發展，方向院長先談到幾大挑戰：

　　首先，新一輪工業革命正式拉開序幕，新技術、新產品、新業態層出不窮

　　后金融危機時代全球化產業和貿易正在進行新一輪布局，先進制造業正在重新受到發達國家的青睞；能源革命和互聯網革命正在爆發，大數據時代以超乎想象的速度悄然來臨；深空、深海、深地、深藍，已經成為探索未知領域的新方向，人們認識自然的能力和愿望正在不斷膨脹。

　　其次，國際計量科技正在經歷前所未有的跨越式發展

　　以量子基準為核心技術重新定義國際單位制是當代計量科技的重大變革，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。

　　面對這樣的挑戰，中國計量院未來發展戰略是：一個明確的目標；二維的組織結構；三個有力的支撐；四組平衡的動力引擎；五類清晰的期望。

　　一個明確的目標：傳承計量文化，成為世界級國家計量院。

　　二維的組織結構：建立以學科為劃分原則的大專業所；建立以領域為劃分原則的領域計量研究中心。

　　三個有力的支撐是：人才資源；以創新和成果轉化為核心的機制建設；基礎設施建設。

　　四組平衡的動力引擎是：計量基礎前沿研究；國家測量能力建設；成果轉化和技術服務；國際國內貢獻和擔當。

　　五類清晰的期望是：具有一批擁有世界級領軍專家和國際領先研究成果的一流研究團隊；具有一流的校準測量能力；具有一流的研究量傳實驗基地；在國際國內合作貢獻和擔當方面具有一流水平；具備一流的技術服務水平。

　　在2015年初中國計量院建院60年慶典上，方向提出三個關鍵語：

　　一是傳承與發展，將計量文化的傳承與計量科技的創新發展實現有機的融合。

　　二是創新與改革，在國家加快轉變經濟增長方式和國際間經濟競爭日趨激烈的今天，計量被賦予了新的內涵和新的使命。比如在國家新時期的質量戰略中，進行創新和改革。

　　三是擔當與奉獻，為質檢事業發展、國家核心競爭能力提升和世界計量科技進步做出貢獻。

（中國分析測試協會、分析測試百科網聯合采編）