基本計量單位的進(jìn)展

摘要：用固定若干基本物理常量的數值重新定義國際單位制基本單位，可以大幅提高基本單位的準確性。
關(guān)鍵詞：基本物理常量；量子計量基準

經(jīng)典計量基準

　　目前我國的經(jīng)濟總量已經(jīng)達到了相當的規模，但是以大量消耗能源和原材料為主的初級生產(chǎn)，造成了嚴重的環(huán)境問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題。我們的對策是一方面提倡創(chuàng )新，增加我國產(chǎn)品的技術(shù)含量；另一方面要千方百計節約資源消耗。創(chuàng )新和節約資源與計量均有極為密切的關(guān)系。因為要開(kāi)展創(chuàng )新和節約資源工作，首先必須有準確的測量數據，而不準確的數據會(huì )引起誤導。各種可能方案的比較，也要以準確的測試數據為依據。

　　各種測量的準確度是由計量標準來(lái)保證的。而各級計量標準最后均需溯源到計量基準?，F代社會(huì )廣泛使用的國際單位制SI從1875年簽訂米制公約時(shí)就開(kāi)始起步，于20世紀中葉基本完成。國際單位制中定義了米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文、坎德拉和摩爾7個(gè)基本單位?；締挝坏牧恐涤捎嬃炕鶞仕４婕皬同F。19世紀下半葉到20世紀上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計量基準。這些計量基準一般是根據經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩定的實(shí)物來(lái)實(shí)現，故稱(chēng)為實(shí)物基準。例如一個(gè)保存在巴黎國際計量局(BIPM)的鉑銥合金圓柱——千克原器砝碼的質(zhì)量就定義為質(zhì)量單位千克(圖1)；一根X型鉑銥合金米尺原器上兩條刻線(xiàn)間距離就定義為長(cháng)度單位米(圖2)；用一組飽和式韋斯頓標準電池的端電壓的平均值保持電壓?jiǎn)挝环?；用一組標準電阻線(xiàn)圈的電阻平均值保持電阻單位，等等。但是，實(shí)物基準一旦制成后，總會(huì )有一些不易控制的物理、化學(xué)過(guò)程使它的特性發(fā)生緩慢的變化，因而它所保存的量值也會(huì )有所改變。以上述鉑銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會(huì )使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準確數量也很難確切查明。這些問(wèn)題已經(jīng)使傳統的量值傳遞檢定系統日益不能適應需要。近年來(lái)與傳統的實(shí)物基準完全不同的量子計量基準的出現，為解決以上問(wèn)題提供了全新的途徑。

　
　　　　圖1  千克原器砝碼模型

　
　　　　圖2  米尺原器模型

量子計量基準

　　量子計量基準基于量子物理學(xué)中闡明的微觀(guān)粒子的運動(dòng)規律，特別是微觀(guān)粒子的態(tài)和能級的概念。最著(zhù)名和最成功的一種量子計量基準，是1967年在國際上正式啟用的銫原子鐘。此種基準用銫原子在兩個(gè)特定能級之間的量子躍遷所發(fā)射和吸收的無(wú)線(xiàn)電微波的高準確頻率作為頻率和時(shí)間的基準，以代替原來(lái)用地球的周期運動(dòng)導出的天文時(shí)間基準。而近年來(lái)銫原子鐘的準確度已達到10^-15量級，比地球運動(dòng)的穩定性高了6到7個(gè)數量級，幾千萬(wàn)年才有可能相差1秒，充分說(shuō)明了量子計量基準的重大優(yōu)越性。銫原子鐘的巨大成功在天文學(xué)、通信技術(shù)以至全球定位技術(shù)、導彈發(fā)射等軍事應用方面均得到了卓越的應用。最近有人根據實(shí)驗數據提出用鍶離子的長(cháng)壽命能級之間的量子躍遷，可把原子鐘的準確度再提高一步，達到10^-18量級。另一方面，由于激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對長(cháng)壽命能級的知識不斷增加，制成了一系列極穩定的激光器，其波長(cháng)的穩定性達到10^-12量級，已替代86Kr光波長(cháng)度基準而成為新的更高水平的量子長(cháng)度基準。這樣的量子計量基準有著(zhù)下述的明顯優(yōu)點(diǎn)：