用新SI引領新一輪科技變革

■ 中國計量大學校長 宋明順

2018年11月16日，在法國巴黎召開的第26屆國際計量大會表決通過了“1號決議”，決定自2019年5月20日起實行新的國際單位制（以下簡稱“新SI”）。“新SI”主要變化在于其7個基本單位用一個或多個定義的基本常數推導出，這些基本常數在全宇宙每個角落都相同，為7個基本單位確立了完美的標準定義。這些定義是基于自然科學永恒的定律和可隨時隨地復制傳播的思想，從而改變基本單位自有定義以來，依賴于實物的歷史，具有了放之宇宙而皆準的普適意義，同時發展出了極高精度的技術方法來復現這些單位。

德國物理學家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）早就意識到：借助基本常數，我們有可能建立起長度、時間、質量、溫度的單位，它們必定對所有文化都能保持有效性，包括外星或者非人類文明。2018年11月16日，人類終于完全實現了普朗克的夢想和預言，人類可以在任何時間、任何地點、用任何方式來實現所定義的單位，保證量值的準確和一致。諾貝爾物理學獎獲得者菲利普斯（William Phillips）把“新SI”稱之為“自法國大革命以來測量的最偉大革命”。隨著人類文明不斷進步，肯定還會發明出更精準、更容易的測量方法，越來越逼近7個基本單位完美的標準定義。

“新SI”單位具有長久的穩定性和內部一致性，并基于當前最高水平的自然理論描述和科學技術方法完成實際復現、統一且可在世界范圍內使用。因此，“新SI”具有下列特點：

量子化。單位的定義和復現以量子技術為基礎，“新SI”基本單位定義中的基本常數，多數是基本物理常數；“新SI”基本單位的復現是基于量子科學的原理，通過全面采用量子計量基準，將大幅提升測量的準確度和穩定性。

扁平化。以往量值傳遞采用由基準級（主基準副基準工作基準）至標準級（一級（等）二級（等）三級（等）…）再至工作計量器具的量值傳遞科層式體系。“新 SI”的實施，量值傳遞可直接由基準器具傳至工作計量器具，量值傳遞由科層化轉為扁平化。同時，量值的溯源體系也由科層化轉變為扁平化，大大減少了傳遞或溯源的層級或次數，也減少了精度的損失，節約了成本。

泛在化。“新 SI”開啟了可在任何時刻、任何地點、任何主體對基本單位按照定義進行復現的時代，“新 SI”單位的基準器具可在任何地方實現和保存，而不只限于保存在國家計量院，也不只局限于一個單位只有一個基準，“新SI”單位的復現在理論上具有泛在化的特征。

“新SI”是科學技術高速發展的成果，是人類文明進步的標志。“新 SI”推廣和應用可以有效支撐國際貿易、高科技制造業、人類健康與安全、環境保護、全球氣候研究與基礎科學的發展，由此可能觸發重大科技創新和顛覆性技術的誕生。因此，為了在“新SI”變革中能更好地抓住機遇，應對挑戰，特提出下列三方面的建議：

一、抓住機遇，用“新SI”引領新一輪科技變革

“新SI”的量子化、扁平化和泛在化，要求“新 SI”單位復現的基準器具具有超高精度、小型化和可移動。“新 SI”單位基準器具的超高精度化，在美國、中國、英國、德國等世界少數幾個國家已經實現，而小型化和可移動目前尚未有任何一個國家得以實現，這既是“新SI”建立的既定目標，也是上述世界先進國家正在發力并較量的領域。實現“新 SI”既定目標，即計量基準器具的超高精度、小型化和可移動，意味著新一輪的科技革命到來之時，工業技術不再是“納米”（10-9米）技術，而被“皮米”（10-12米）甚至“飛米”（10-15米）技術取代，“皮米”技術或“飛米”技術將是新技術的代名詞。因此，國家科技行政管理部門、教育行政管理部門、計量行政管理部門、工業行政管理部門應高度重視“新SI”引發的新一輪科技革命的潛在機遇，組織科研力量和工業生產部門聯合攻關，加強“新 SI”單位基準器具小型化和可移動的研發，使超高精度計量基準器具產業化，在國際上率先實現“新SI”單位隨時隨地可復現，實現量值傳遞和溯源的扁平化，并帶動芯片技術實現由“納米”級到“皮米”級甚至“飛米”級的跨越。實現工業制造和測量由“納米”跨越到“皮米”甚至“飛米”級，從而在“新 SI”誘發的新一輪科技變革中實現“中國制造”的彎道超車，有效支撐《中國制造2025》目標的實現。

二、迎接挑戰，加快“新SI”的普及教育

“新SI”的單位定義直接用基本常數表述，雖然多數基本常數是物理常數，隱含著具體的科學原理和意義，但從定義的表述看，缺乏原理性和可讀性，表面上看不出其內涵，較之以前SI單位的定義，顯得特別抽象、不易理解，給宣傳普及教育帶來新的挑戰。正因為定義的抽象化，“新 SI”的公布實施并未引起國內的普遍關注，尤其是科技、工業和教育界對其缺乏足夠的重視。但若科技、工業和教育界都不重視“新SI”的變化，我國則很難在其誘發的新一輪科技變革中搶占先機。因此，應加大對“新 SI”的宣傳、推廣、普及教育工作，尤其是教育領域更應該重視“新SI”知識的普及教育。在高等教育中，所有的物理課都應將教材中和實驗中的單位換成“新 SI”單位，在其他的課程、實驗和實訓中凡涉及單位的都應改成“新 SI”單位；在中小學教育中，凡涉及單位的教材、教學實驗和教學內容都應換成“新SI”單位。建議教育部、市場監管總局（國家計量主管部門）、科技部、宣傳部等有關部門成立相應的“新SI”推廣、宣傳、普及的臨時組織，負責宣傳普及工作，改編教材和教學實驗內容，制作電視短片、微課程及其他通俗易懂的宣傳材料，盡快做好“新SI”的普及教育及宣傳工作，這方面可充分發揮中國計量科學研究院和中國計量大學的專業優勢。

三、發揮優勢，助推“一帶一路”互利共贏

“新 SI”的實施給發展中國家以及多數發達國家帶來了巨大的挑戰，尤其是發展中國家的科技水平和能力目前還無法實現“新 SI”單位的復現，更難以實現量值傳遞的扁平化和泛在化。以往發展中國家還可從發達國家購買部分基準器具，但目前復現“新SI”單位的基準器具都是十分龐大和復雜的科學裝置，而且具有核心技術，受知識產權保護，現階段不可能轉賣，因此許多國家將面臨無計量基準器具可用的窘境，更無法參加高水平的國際比對。“新 SI”變革，將使全球測量體系發生重構，但大多數國家短時間內難以實現量值傳遞和溯源體系扁平化，擁有“新SI”單位復現核心技術的少數發達國家，目前還不可能向發展中國家轉讓“新SI”單位復現的核心技術。我國提出的“一帶一路”倡議，倡導“共商、共建、共享”的互利共贏原則，為我國構筑“新 SI”背景下的全球計量治理新體系帶來了機遇。我國的計量科技水平和國家計量治理能力處于國際先進水平， 在“新 SI”單位的復現中，溫度和質量單位的復現主要基于我國的計量科技成果，我國“新SI”單位的復現水平國際領先。如果我國能加快實現“新SI”單位基準器具的小型化和可移動，則可幫助“一帶一路”國家建立“新SI”單位的基準器具，幫助他們實現量值傳遞和溯源扁平化。同時，參照我國的量值傳遞和溯源體系可幫助其建立起完善的測量保證體系，保障測量數據的高精度，推動其工業經濟，尤其是數字經濟的快速發展，在計量領域為“一帶一路”沿線國家提供和普及中國方案。“新SI”的量子化和定義的抽象化，給“一帶一路”沿線國家的普及和教育帶來諸多的困難，其科技水平、師資力量、教育能力不足以開展“新SI”的普及教育工作。

基于我國在計量科技和計量教育領域的國際優勢，建議在“一帶一路”雙邊、多邊綜合性合作協議中增加計量科技和教育方面的內容，尤其是在科技、教育、貿易的雙邊和多邊合作協議中更應該增加上述內容，如此不僅可以助推新科技變革的早日實現，更能造福“一帶一路”沿線國家，依靠我國的計量優勢推進“一帶一路”建設行穩致遠，計量、標準是描繪“一帶一路”宏偉藍圖的工筆畫。

附表：SI基本單位定義變化比較