二、大计量时代的挑战

　　什么是计量?计量是为实现计量单位统一，保证量值准确可靠所进行的计算与测量活动。计量的核心要义是，通过计量、测量、比对等方法，确定计量基准标准，统一计量单位，在人们的生产、生活、科研、社会管理量化实践活动中，保证量值准确可靠。

　　什么是大计量?本文所所说的大计量是相对于传统计量所提出的新概念。是一个历史性，相对性，比较性的概念。传统计量具有封闭性，单一性，局部性和行政性。而大计量则是对当代乃至未来计量发生巨大变革后新特点，新形态，新趋势所作的概括和总结，具有开放性，系统性，整体性和社会性。本文通过对经验计量，实验计量(又称经典计量)，和数验计量(数字计量)三大历史阶段的简要回顾，分析大计量时代面临的量基革命(计量单位重新定义)，量域革命(计量领域大大扩展)，量传革命(量值传递，量值溯源变革)，量管革命(科学计量、法制计量、实用计量在管理体制上的变革)和量智革命(计量管理、应用的智能化)，从而提出大计量的新概念和主要特征。

　　从人类社会发展的历史进程看。人们对自然关系，社会关系以及对人本身的认知，在实质上都可以归结为数量的认知。人的认知始于量，过程变化是量，结果应用还是量。所谓计量是文明之母。人类对事物本质的认知，实质上也是量的建构、结构的分析整合过程。任何定性分析、本质探索，离开了量的“算法”，必定是一团迷雾。例如当今社会看一个国家的发展水平，社会进步程度乃至幸福指数，离开了经济数量，人均指标、教育、医疗、寿命、生态环保等数量指标，都无法进行真正的分析判断和比较。在某种意义上可以说，世界间的一切问题都关联到数量问题、计量问题，一切都是算法。“算法”是以色列历史学家尤瓦尔.赫拉利在《未来简史》一书中提出的一个关键词。他认为，万事万物其实就是算法，生命本身就是不断处理数据的过程。正是由于人类掌握了初始的个量、信量、复合量、系统量和复杂量，认识了日月星辰，山川水火、动物、植物的根本量态，人们才掌握了生存的技能，发展的方向。正是人类掌握了发声、单词、语汇、语句、语义并发明了语言工具，才发生了认知革命，使人类由原始人进化为智人和现代人，而语言的发达全靠词量的积累。正是人类掌握了气候周期，光照变动、水土特点，植物采集、栽培转换等数量变化规律，才有了农业革命。正是人类掌握了在数量基础的分工与协作，在力量大小，效率高低的需求引导下，发明了纺织机、蒸汽机，并逐步认识掌握了声、光、热、力、电、时间等现代计量技术，才有了工业革命和现代技术革命。由此可见，无论是认知革命、农业革命，还是工业革命、科技革命，都是人类基于对事物量的认知、再运用各种手段改变事物量的结构、量的组合、量的多寡，以实现人类利益量最大化的总目标。在某种意义上可以说，一部人类社会发展史，就是一部人类计量史。岩田重雄先生甚至考证过，尺度的偏差可以反映社会秩序的变动。如果尺子长度偏离标准长度的幅度较大，就可得知那是个动荡的年代，例如中国后汉的恒帝和灵帝之间的公元146年--189年之间便是如此。因此，计量史的发展与人类社会历史的发展是完全相对应的。

　　我把计量史简要概括为三大阶段，即经验计量阶段，实验计量阶段和数验计量阶段。经验计量阶段：所谓经验计量，是指人们用自己的感觉器官和自然现象对标的物进行计算、测量的计量活动。这是人类计量史的初级阶段。大体对应的是农业社会，跨度时间较长，大约在1万年前到1760年左右。经验计量大多以人体、动物和自然物为作为计量单位基准，进行直观测量。逐步确定了长度、面积、容积、重量等量值，对时间、温度、湿度、方位、天文、数值进位等也有初步认知。四大文明古国及各大洲民族均有独立计量发展史。如中国古代布手知尺，(周朝一尺约为20厘米)，掬手为升。在秦朝统一了度量衡。古埃及的尺度是从人的胳膊到指尖的距离，称为“腕尺”。(约46厘米)。古埃及的一些金字塔，就是以“皇家主腕尺”为基准的计量体系建造起来的。英尺是查理曼大帝的脚长(约为0.3038米)，英亩是两头牛一天翻地的面积(1英亩大约为0.405公顷，6.07市亩)。这一阶段计量的准确度一般在百分之一到千分之一。随着国家权力的介入，计量成为古代管理社会秩序的重要手段。古代中国的土地丈量和货币重量、形制、材质的变化，使用的都是计量手段。

　　实验计量阶段：所谓实验计量阶段又称经典计量阶段。是指以宏观现象、人工实物和牛顿力学为科学基础，进行计量、测量和验证的计量活动阶段。也是世界现代计量体系开始建立，逐步走向全球化，统一化的新阶段。对应于工业社会、现代社会，时间大约在1760年到1960年。由于地理大发现、宗教革命、文艺复兴、启蒙运动、工场手工业、海外贸易等经济技术和社会制度变革等元素的共同作用，欧洲爆发了工业革命。机器大工业，跨国贸易和实验科学的飞速发展，对计量提出了巨大的需求。一大批数学、物理、化学和天文学家走进实验室，对认知自然界的基本量值的精确性、一致性、统一性进行开创性研究，专业化的科学计量脱颖而出。法国大革命直接催生了世界现代计量基本单位“米”。1875年5月20日签订的《米制公约》，标志着现代国家计量制度的全球化，统一化的开始。当时确定的长度单位为米，1米为从赤道到北极的子午线的千万分之一。重量单位为千克，1千克为4°C时/立方分米水的重量(质量)。并据此制作了铂铱合金的米原器和千克原器，成为世界计量单位的基准器。第一次定义时间秒是根据地球自转和绕太阳公转的周期来确定的，用平均的昼夜时间即平太阳日进行定义，1秒=1平太阳日/86400，也称平太阳秒。二百年来，特别是近150年来，科学计量、工业计量(实用计量)和法制计量及计量全球化取得巨大成就。计量的领域已从经验计量时代的度量衡到现代的几何量、温度、力学、电磁、无线电、时间频率、光学、电离辐射、声学和化学等十大计量，其应用已遍及人们生产、生活及社会领域的各个方面。测量的主要工具也从尺、斗、秤发展到天平、显微镜、质谱、色谱、激光、射线、扫描及计算机，软件组合而成的各类高精尖的仪器设备。计量的精确度已达到万分之一到亿分之一以上。

　　数验阶段：所谓数验计量阶段，是指以相对论和量子理论为科学基础，计算、测量的方法从模拟到数字化，从宏观实物基准到微观量子基准和物理常数基准，从实物比对、验证到以算法为核心的数学测算，数学验证，从物理世界计量延伸到虚拟世界计量的全新的后现代计量阶段。时间是从1960年--现在。数验阶段计量发展的最突出特点，就是以量子理论为基础，微观量子基准逐步取代过去的宏观物理实物基准。数字测量、数字验证逐渐取代实物比对和实物验证。从而使计量的精准度达到亿分之一到亿亿分之一以上。例如长度单位的定义：在经历了铂铱米尺(1889)和氪86橙黄谱线(1960)两次定义变迁之后，1983年第17届国际计量大会通过了新的米定义：米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内所行进的路程的长度。实际上是把光速度定义成为计量基准，而米则成为导出单位，使其精确性、普适性大大优于前两次定义的长度基准。1967年，用铯-133原子的特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，代替用地球周期运动导出的天文时间基准。目前我国铯原子冷喷泉钟已做到两千万年不差一秒。发达国家的锶原子光格钟已达到三亿年不差一秒，甚至10亿年不差一秒。

　　时间基准的超高精度计量技术，大大促进了太空探索、通信、全球定位及军事领域创新发展。目前，国际上已将长度：米，质量：千克，时间：秒，电流：安培，发光强度：坎德拉，热力学温度：开尔文和物质的量：摩尔等七个基本单位做为全球通用的国际单位制，(SI)。除千克外，其中六个都已采用量子现象复现量值的量子计量基准。由此可见，经验计量、实验计量和数验计量三个阶段，基本与经济技术和社会发展同步。

　　进入二十一世纪，随着信息技术、网络技术、纳米技术、生命科学、海洋科学、空间科学、新材料、新能源、生物技术、人工智能技术和经济全球化的深度发展，计量进入了一个新时代--大计量时代。在大计量时代，传统的科学计量发生巨大变革，实用计量产生新的巨大需求，法制计量面临巨大挑战，一场新的计量革命已经正在发生。具体表现为五大革命：

　　第一是量基革命。所谓量基革命，是指计量基本单位重新定义引发计量体系的巨大变革。在实验计量阶段，量的基本单位是由实物基准复现和保存的。如千克、米、伏特、欧姆等分别由铂铱合金、电池、电阻线圈等实物制成实物基准。但其保存、检定、量传溯源难度大、准确度会下降。如保存在国际计量局的国际千克原器经周期检定，与作证原器之间差在100年间(1889年-1989年)差了50微克(ug),且不能确定二者孰重孰轻。进入数验计量阶段(1960年以后)，量子基准的出现开始替代实物基准。如1960年第11届国际计量大会对米的定义进行更改：米的长度等于氪86原子特定能级之间跃迁辐射在真空中波长的长度。1967年用铯一133原子的特定能级跃迁定义的时间单位秒基准。继而除千克定义之外的其他六个基本量，都在量子基准形态上完成了量值定义的变革。进入新世纪，为克服量子基准的局限性，科学计量正在探索以基本物理常数定义量值基本单位。这种探索从20世纪80年代已经开始，如1983年，国际计量委员会决定把长度单位米定义改为光在真空中1/299792458秒的时间间隔行程的长度。实际上是把真空中的光速视为恒等于299792458米/秒的无误差常数，光速成了计量基准，米单位成为导出单位。用基本物理常数即对物理学起重要作用的基础性普适常数来定义计量基准，可以大大提高计量的稳定性和准确度。而量子基准的局限在于总是要靠某种原子的特定量子跃迁过程，一旦发现新的更准确的量子跃迁过程，就会面临修改计量基本单位定义的问题，其稳定性，准确性不如基本物理常数方法。用基本物理常数重新定义国际计量单位的工作已取得重大进展，刚刚开过不久的第二十五届世界计量大会(2014)，已经通过决议，在下届即2018年第26届世界计量大会上，将要审议决定用普郎克常数h、基本电荷e、玻尔兹曼常数k、阿伏伽德罗常数n等物理常数重新定义千克、安培、开尔文和摩尔等计量基本单位。这是计量发展史上新的量基革命。用基本物理常数重新定义计量基本单位，是对量子基准的替代，还是升华?是量子基准的新大陆、新类别，还是二者并存，相互对应?这些还有待于进一步研究。更前瞻一点的思考是：还有没有比基本物理常数更先进的方法定义国际计量单位制?还是已经发展到顶点?今后的时代可否认为已是后计量基准时代?用基本物理常数定义计量基准有无局限?如果有，如何解决?例如计量单位基本量的独立性问题。长度米的定义离不开时间秒的定义，二者相关，不独立。安培的定义与长度和质量相关，摩尔与质量相关，开尔文与摩尔相关，坎德拉与时间相关。这是否意味着过去以基本量划分的独立研究正在走向相互交叉重合或者是凯文、凯利所称的“重混”的新领域，这些新领域的研究又会出现什么样的新变化?在计量基准基本稳定后，量值的测量和复现需要哪些更为高精尖的手段?把抽象的由物理常数导出的计量基础，变为具象的可观测的、使用的量值，需要创新什么样的实物形态的计量器具?这种差异化的量值复现能力和水平，如何在全球统一并实现互认?以最高精确度统一全世界的计量最终目标如何实现?这些都需要我们认真研究，深入思考。

　　第二是量域革命。所谓量域革命是指，现代计量所覆盖的范围、领域发生难以想象的巨大变革。从以人肢体为计量基准的经验计量阶段，到以物理实物为基准的实验计量阶段，到以量子跃迁测观为基准的数验计量阶段，再到以物理常数为基准的后现代计量定义阶段(由自然基准到超自然基准)，人类对计量的认识不断深化，计量的领域日益爆发式增长。这些变化的根本原因，源于人类社会对生活、生产、社会进步的巨大需求，正是这些巨大需求造就了“数量革命”。这里所说的数量革命是指，国家数量、人口规模、生活水平、识字率和商品数量等等爆炸式增长。1945年，全球有独立国家67个、到2012年已达200多个国家和地区。世界人口由1918年大约为二十亿，2016年已达73亿。自1950年以来世界经济产生增长了50%。全球经济总量已高达70多亿美元。美国亚马逊平台总商品种类已多达3537万种。

　　当前全球每天发送的数据量高达40亿以上，我们的数字世界已拥有超过1.8万亿吉比特的数据，并以每年40%以上的速度增长。可以说，我们的时代是一个数量超庞大的时代，所有事物的数量都在以超大规模、超快速度增长和流动。大数据时代呼唤大计量，对计量的巨大需求大大拓展了计量的领域和范围，是谓量域革命。人类目前能够观测到的物质世界最远距离已超过100亿光年(一光年大约是9.46万亿公里)。人类所研究的物质最小尺度约为0.1阿米(一纳米=10亿阿米，一米=10亿纳米)。从早期的个量、信量、复合量、综合量、复杂量，到现在各类微观量、动态量、数字量、物理量、化学量、生物量、工程量、线性量、旋转量、虚拟量、智能量、思维量、情感量、心理量、生理量、感官量、非感官量、宇宙量、网路量、信息量、经济量、社会量、生态量、环境量、传感量等等不胜枚举。特别是化学计量、生物计量和信息数字计量的迅猛发展，使人类对事物“量”的认识从单纯的物理量、感知量、表现量向事物的结构量、组合量、内在量从而引发事物的“质”的变化的量的深度认知转化。计量也从以量为主、以质为辅的研究扩展到量质并重的研究，⑦从表象量的认知深化到深层质的变化认知。从量到质的关键量的认知，事物之间质与质相互区别的量有多少?这既是计量史上的巨大飞跃，也是人类认知史和实践史上的巨大飞跃。生物计量则使人类在向外认知的同时，深入到对自身的对内认知。通过对生物体、生命体的量的解析、重新认知人类自身的产生、发展、变化与未来。