首个米制体系诞生于法国大革命的社会动荡之中。19世纪期间，这种测量协议所带来的益处日益为世界各国所公认。加之日益增长的国际贸易和第二次工业革命对技术合作提出的新要求，促使17个国家的代表于1875年5月20日签署了《米制公约》，以“……确保米制体系在国际上的统一与完善”。该国际条约不仅催生了现存最古老的国际组织之一——国际计量局（BIPM），还直接推动了现行国际单位制（SI）的正式确立。作为全球唯一公认的实用测量单位体系，SI对国际贸易、工业制造、人类健康与安全、环境保护、全球气候研究、科学探索乃至日常生活的方方面面都至关重要。时至今日，实现全球测量一致性的要求与1875年时同样重要。目前，《米制公约》有64个成员国和37个准成员国及经济体，覆盖了全球98%以上的经济总量。如今，各国的国家计量院在维护全球测量体系中发挥着至关重要的作用。适逢《米制公约》签署150周年，我们有必要反思国家计量院，特别是英国的国家计量院——英国国家物理实验室（NPL）的角色演变历程。该机构创立于1900年1月1日，至今已125周年。

早期，SI单位（米、千克）的定义是通过实物原器来复现的，这些原器均保存在位于巴黎塞夫尔的BIPM总部。然而，让所有工业校准都直接在BIPM进行是不切实际的，因此各国制作了这些实物原器的复制品，供《米制公约》成员国在本国内使用。这些国家测量标准由一种新型组织——国家标准实验室负责维护。首个国家标准实验室（现在称为国家计量院）是1887年在德国成立的帝国物理技术研究院（现在的德国联邦物理技术研究院）。紧随其后，NPL于1900年成立，美国国家标准局（现在的美国国家标准与技术研究院）则于1901年成立。

因此，政府实验室在计量与测量标准领域中的作用在18世纪末至19世纪初得以确立。NPL的初衷是创建一个“……致力于仪器检定与标准化、材料测试以及物理常数测定的公共机构”。正如威尔士亲王殿下（后来的乔治五世国王）在1902年3月19日NPL正式成立时所言，其目标是“……促进科学与商业的融合”。NPL由此直接承接了基尤天文台（KewObservatory）的部分职责，且直至1901年迁至泰丁顿的布希庄园前一直使用其旧址。尽管这些既定目标与国家标准实验室的核心职责不尽相同，但此后十余年间，NPL逐步承担起维护与发展英国国家测量标准的职责。不过，直至1922年，它才正式接管原属英国贸易委员会管辖的国家质量与长度标准的维护工作。

自成立之初，NPL最为重要的使命就是向科学界传播测量带来的益处，并应对仪器研制中的各种挑战。因此，NPL于1923年携手英国物理学会共同创办了全球首份测量与科学仪器期刊《科学仪器杂志》，该刊物正是《测量科学与技术》的前身。

随着20世纪的技术进步、制造业发展与贸易增长，各国国家计量院的工作量和维护的标准范围都急剧扩大。到20世纪90年代，全球贸易的迅速增长使得人们愈发关注测量结果的一致性要求，并强调确保这些测量能够被贸易伙伴及各国认可机构所接受，以便消除技术性贸易壁垒。这就需要建立一个不再依赖大量双边协议和国家计量院之间频繁比对的体系，以便在国家计量院数量迅速增长的情况下，仍能有效确保各国国家测量标准的可比性。因此，1999年国际计量委员会（CIPM）通过了互认协议（MRA），该协议成为各国国家计量院证明其测量标准及其签发的校准与测量证书（CMCs）具有国际等效性的基本框架。通常这涉及多实验室参与比对活动，其结果（即参与机构的校准与测量能力）可通过CIPMMRA数据库公开获取。NPL正是该协议的首批签署方之一。

事实上，CIPMMRA的文本正式促成了“国家计量院”这一术语的正式化，并至今仍是该术语最具权威性、最广为认可的定义来源——“本协议的每个签署方均是《米制公约》成员国政府或官方机构指定的、负责该国国家测量标准的国家计量院”。该条款阐明了某个实验室被认定为国家计量院的基本条件，但并未完全界定其职责范围。CIPMMRA同时引入了“指定机构”（DesignatedInstitute，DI）的概念，用以指代那些在国家计量院尚未覆盖的技术领域内负责维护本国国家测量标准的机构。

许多国家计量院还承担着其他职能，包括但不限于：政府指定的其他国家级项目、测量服务、研发项目、培训与咨询服务、参与标准化文件制定、知识与技术转移。当这些额外活动在机构整体工作中占据相当比重时，该机构可能不再仅为一家具有扩展职能的国家计量院，而是一个更为综合的组织，国家计量院职能只是其所履行的众多职责之一。

在漫长的发展历程中，NPL为促进科学与商业的融合作出了巨大贡献，并通过各项活动产生了深远的社会与经济影响。在飞机与船舶设计、计算机与互联网技术、雷达、冶金以及不胜枚举的测量科学领域，NPL都作出了基础性贡献。随着科学日益深入地融入人类活动的各个领域，如今公共和私营部门都涌现出众多卓越的科学与技术实验室。因此，与众多国家计量院一样，NPL也日益将重心聚焦于其在科技领域独有的核心优势——计量及卓越的测量科学能力，并致力于投身那些因测量准确度、溯源性和不确定度而限制了科学发展的领域。因此，这些领域也是NPL和其他国家计量院能够最充分发挥科学专长、通过促进经济繁荣与提升生活质量实现社会影响的关键所在。与此同时，NPL仍然承担着英国国家计量院的独特使命——维护、发展并不断完善英国的国家测量标准。

国家计量院通过其国家测量标准向SI单位建立的溯源性为测量活动带来了四大核心优势：稳定性、可比性、一致性以及可信性。测量体系的稳定性确保能够随时间准确判定被测量的变化；可比性使得在不同地域、使用不同仪器获得的测量结果能够被准确比较与评估；一致性是SI的独有特征，它保证了不同测量方法所得结果具有内在一致性，并使得能够依据化学与物理的方程式对不同量的测量结果直接进行组合与运算；可信性则确保测量数据值得信赖，从而能够据此得出可靠的结论。这样的测量体系还使得所有测量单位的不确定度能够随时间不断降低、实现持续改进。这对现代社会至关重要，因为准确、可靠且持续精进的测量有助于提升科学研究的效能与效率，增强其成果的可信度；减少浪费，提高成本效益与生产率；加速创新，从而提早进入市场；缩短变革实施周期并加速价值创造；加速循证政策制定与评估；推动科学与社会领域实现更快、更可持续的进步。

国家计量院开展的高等级校准工作天然地支撑着整个产业中无数其他的测量不确定度更大的校准活动，并为贸易和商业活动奠定了基石。为推动这些目标，相关的研究经费通常会围绕国家或地区科学界所确定的重大社会挑战设立主题；就NPL而言，其工作范围涵盖英国境内，并作为欧洲工作计划的一部分参与欧洲事务。在美洲，有全美计量体系；在亚洲，则有亚太计量项目。近年来，世界各国，尤其是欧洲地区的国家计量院之间开展了卓有成效的合作。这是因为，要在计量的所有领域都开展必要的研究，其成本已超出任何单个国家计量院的承载能力。欧洲区域计量组织（EURAMET）发布的战略文件强调了欧洲协作的优势，并规划了未来十年欧洲国家计量院的发展战略。此外，各国家计量院还通过多项举措与产业界开展合作，共同识别未来的计量需求，建立网络机制，以促进国家计量院、产业界与学术界之间的互动交流。其中，大多数网络已在若干关键领域建立，旨在应对当代的科学与社会挑战。尽管所有科学技术都涉及某种形式的测量，但在初期往往难以看出其与计量（即围绕测量本身的底层认知与探索）的直接关联。然而，鉴于许多科技领域的进步都受限于测量的准确度或不确定度，国家计量院在应对这些挑战时展现其独特价值的重要性日益凸显。

解决计量问题通常涉及多学科协作，需要汇集不同计量领域的知识。例如，在通过谐振器测量确定玻尔兹曼常数以定义温度单位的过程中，必须依赖最先进的几何量计量技术。计量的跨学科特性同样体现在应对社会挑战的网络中，例如先进制造领域催生了跨主题项目来应对部分挑战，需要调动NPL及其他国家计量院中不同计量领域的专家通力合作。近期跨主题的活动实践包括：研究电池老化机理以提升循环寿命、支持交通运输领域脱碳以及改进对核材料储存特性的认识与测量（NPL案例研究）。

计量在大科学装置的开发与运行中发挥着重要作用，原子钟领域便是一个典型例证——该领域的发展不仅得到了多个欧洲项目的支持，也促进了多国相关技术的进步。在英国，NPL领导着国家授时中心，该机构负责运营英国首个国家级分布式时间基础设施，旨在帮助英国摆脱对全球导航卫星系统的依赖，并提供高韧性的时间与频率服务。这凸显了国家计量院在确保各行各业所用数据可信度方面的重要作用。

对大型国家计量院的持续投入，能够使其具备应对多种产业相关问题所需的专业能力与技术设施。这一点已通过国家计量院提供的测量服务以及与工业界和学术界同行共同发表的大量研究论文得到了广泛证明。此外，国家计量院还能够针对企业的具体需求提供定向支持，通过解决一些较小但关键的技术难题，帮助企业在新产品研发或现有产品性能提升方面取得显著进展，其中也包括对新型计量仪器的开发与改进提供支撑。NPL网站收录了大量案例研究（NPL案例研究），以展示此类支持如何为企业乃至全社会创造巨大效益，彰显了国家计量院在支持企业、推动经济增长以及为计量难题提供创新解决方案方面的重要作用。此外，NPL还编制了多份“良好实践指南”，并公布在其网站上。这些指南是确保工业界与学术界遵循良好测量规范的实用辅助工具。

《米制公约》签署及国家计量院成立以来，社会对计量的需求已然改变。但国家计量院的核心职能始终如一：尽管单位的定义可能随时间演变，但一个国家复现SI基本单位与导出单位、维护与发展国家测量标准、确保测量能溯源至这些标准等责任，是国家计量院所独有且不可替代的。国家计量院也可以从事其他事务（且多数国家计量院确有涉足），但若不履行制定与维护国家测量标准的职责，便丧失了其本质。如何确保这一不可或缺的职能在未来得到充分的理解与重视是一项重大挑战。计量工作成功的标准在于稳定性与持续性改革创新，这需要与现代媒体的短时效性相抗衡——后者往往更热衷于报道未经证实的颠覆性科学新闻。

国家计量院的职责不仅限于维护SI，其具体职能因各国当前需求及国内外未来挑战而异。然而，所有国家计量院都面临着一些恒久不变的挑战：发展能够在国家计量院实验室之外的环境进行且更为快速和准确的测量。一如既往，新技术总会带来新的挑战与机遇。

数字化和人工智能（AI）的蓬勃发展正以前所未有的速度影响着日常生活，并已渗透到几乎所有科学领域。如今，数字孪生技术已在测量科学领域发挥作用。各国家计量院正在审视其应用前景及相应的计量要求。数字化技术正被应用于校准服务，长度单位“米”的数字化实现方案也已提出。这场数字革命也开启了机器学习与AI的新纪元。在建立社会对这些技术的信任方面，国家计量院可以引领相关活动，包括制定评估AI准确性与可靠性的标准；开发诸如代表性数据集和数据质量框架等工具；致力于创建可信赖AI的预规范标准。

更为广泛的数字化与工业4.0浪潮正在重塑计量体系，这要求计量服务能够与新兴的数字架构相集成，并提供实时、安全的数据。当前，基于基本物理常数的测量标准日益受到重视，与这一趋势相结合，提供更快捷、更深度数字化服务的发展趋势将对测量基础设施产生两大重要影响：一是像NPL这样的国家计量院将有能力直接服务于数量更为庞大的客户群体。二是用户所使用的、基于基础物理原理校准的测量标准在NPL或其他国家计量院进行重新校准的周期得以延长。综合来看，这意味着NPL将能直接服务于更大比例的终端用户，从而减少从原级测量标准到终端用户整条溯源链中的比对环节。在多数情况下，这意味着终端用户将受益于更小的测量不确定度，同时传统的溯源金字塔将趋于“扁平化”。除有望降低测量不确定度外，数字化还将简化校准流程——所有数据均可由机器读取且具备完整元数据，从而减少数据转录而产生的错误。

化学与生物学领域的计量是国家计量院当前及未来的又一大挑战。摩尔直至1971年才被采纳为SI基本单位，而化学与生物学领域的测量科学长期游离于物理学的传统框架之外，这带来了多重挑战。首先在于结构层面：必须说服既有利益相关方，使其相信在诸多化学与生物学领域中，国家计量院是保证测量可比性的最权威参考。其次是技术层面：化学与生物学的测量范畴极其庞杂。物理学主要关注被测量的数值本身，而在化学和生物学中，则需要对被测量或分析物作出更为详细的限定说明，包括分析物的基体、同位素组成，对于生物体系还需考量其身份特征及标称属性。

最后一个挑战是功能性问题：许多化学和生物学中的被测量是操作性定义的，即测量结果依赖于所采用的测量方法。这要求人们必须就测量方法的标准化达成共识，并深入理解此类结果与非操作性定义的量之间的关系。尽管如此，这一领域在质量测量方面仍与“传统计量学”相衔接。千克单位已通过基布尔天平基于普朗克常数重新定义。目前有学者正在研发微型基布尔天平，以支持制药科学领域中微小质量测量等应用。化学与生物计量的新兴技术前沿是工程生物学——一个应用工程学原理来设计、构建和测试新生物系统的学科。这一技术有望彻底变革人类对疾病的诊断与治疗方式，并对未来可持续食品的发展产生深远影响。国家计量院现已投身于此，通过协助开发尖端材料、工具、方法及标准，来加速现有及新兴工程生物学解决方案的创新与规模化。

本文回顾了NPL作为国家计量院的125年历史，重点阐述了其对计量发展的贡献及其对科技进步的深远影响。自150年前《米制公约》签署以来，世界各地的国家计量院在确保全球测量可比性方面所发挥的奠基性作用已得到充分体现。最初，这包括通过实物原器和材料特性来建立、维护和改进测量单位的复现。随着时间推移，这一体系不断发展，并最终在2019年SI修订中达到里程碑式的成果——基于自然常数定义单位，为应对未来数十年新技术的发展需求提供了持久保障。历史分析表明，计量的演进与众多科学领域发展存在显著关联。随着时代变迁，国家计量院的职能已超越了国家标准实验室的直接范畴，扩展至解决那些因测量精度、准确度或溯源性受限而停滞不前的技术挑战。通过这些努力，国家计量院能够释放更优测量所带来的经济与社会效益，为科技进步与社会福祉作出持续贡献。

特别是，NPL除了扮演英国国家计量院的独特角色外，也已成为英国重要的现代公共部门研究机构（PSRE），活跃于应对国家及全球挑战的研发领域，例如高韧性授时、安全通信、气候测量以及化学与生物计量（英国的PSREs是执行研发创新、提供数据采集等技术服务并协助实施监管标准的多元化的公共团体），这凸显了NPL在应对当前科学挑战方面的恒久价值。展望未来，科技创新的发展前景将与先进计量技术的发展紧密相连。在量子技术、AI、个性化医疗及数字数据完整性等新兴领域，对溯源性、高准确度测量和标准化的需求与日俱增，这更加凸显了国家计量院体系的关键作用及其推动的多边全球合作的重要性。未来，NPL及其他国家计量院需要进一步发展自身能力，将其专业知识和独特价值定位——即计量本身以及关于测量的底层思考——应用到更加广泛的领域。

在计量科学研究、标准化及基础设施方面持续投入，对于保障未来科学与技术进步的可靠性与互操作性至关重要，并有助于推动科学成果向更广泛的社会效益转化。NPL和其他计量实验室的百年发展史证明，计量对于保证科学结果的可复现性至关重要，而这种可重复性在工业领域的质量控制中也变得愈发关键。NPL与其他国家计量院的传承精髓在于严谨的科学方法论、卓越的精确性以及对细节的极致追求。计量所奠定的坚实基础为应对未来挑战与推动科学发现提供了永恒框架。这亦是未来科学可信度的根本保障，尤其是在AI日益占据主导、科学成果的产出愈加远离人类直观感知的时代。瑞士物理学家、1920年诺贝尔物理学奖得主、1915至1936年担任BIPM主任的夏尔·爱德华·纪尧姆，曾在1921年以极富诗意的语言，深刻阐述了这一使命的重要性与独特性：“思想家好比一匹赛马，而计量学家则如一匹耕马。当比赛结束，赛场留下的是什么？不过是一点扬起的尘土、观众的余声与金钱的流转。然而，耕过的土地上，明日必将长出丰硕的庄稼。正是这般愿景激励着从事计量工作的人们，使他们甘愿投身那些需要非凡耐心才能完成的研究事业。”

译者注：原文作者理查德·布朗（RichardJCBrown）是英国国家物理实验室计量领域负责人、化学计量学高级研究员。