計量領(lǐng)域近年來(lái)的主要技術(shù)發(fā)展趨勢

作者:中國計量科學(xué)研究院  張鐘華院士

　　計量領(lǐng)域近年來(lái)的主要發(fā)展趨勢是用固定若干基本物理常數的數值來(lái)重新定義基本單位，以此可以大幅度提高基本單位的準確性。20世紀50年代以前，基本單位的量值由實(shí)物基準所保存及復現。其典型實(shí)例是19世紀末制成的鉑銥合金千克砝碼原器。該院其保存在巴黎的國際計量局，其質(zhì)量就被定義為質(zhì)量單位千克。隨著(zhù)科技及工農業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統計量基準開(kāi)始反映出穩定性不夠好、難于準確復制等不足之處，日益顯得不能適應需要。

　　從目前的物理學(xué)知識來(lái)看，基本物理常量（如真空中光速c、普朗克常量h、電子電荷e等）是不變的，有最好的穩定性。如果能把基本單位用基本物理常量重新定義，基本單位的定義將能長(cháng)期保持穩定。復現基本單位的具體技術(shù)手段可以隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷與時(shí)俱進(jìn)，但基本單位的定義可以無(wú)需更改。

　　用基本物理常量重新定義基本單位的做法首先在長(cháng)度單位的定義方面取得了突破。如果把真空中的光速數值固定下來(lái)，視作無(wú)誤差常量，反過(guò)來(lái)用頻率單位和真空中的光速導出長(cháng)度單位，即把長(cháng)度單位米的定義變更為“真空中光在1/299 792 458秒的時(shí)間間隔內飛行的距離”，長(cháng)度單位的定義也就可以長(cháng)期穩定下來(lái)。1983年，國際計量大會(huì )正式通過(guò)了長(cháng)度單位的新定義，在用基本物理常量定義基本單位的道路上邁出了重要的一步。此后，電學(xué)的基本單位也得到了飛速的發(fā)展。1988年國際計量委員會(huì )建議，從1990年1月1日起在世界范圍內啟用約瑟夫森電壓標準及量子化霍爾電阻標準以代替原來(lái)由標準電池和標準電阻維持的實(shí)物基準，等效于用普朗克常量h和基本電荷e這兩個(gè)基本物理常數結合頻率標準來(lái)導出電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝?。從幾年?lái)的實(shí)踐結果看，1988年國際計量委員會(huì )的建議是十分有效的。采用新方法后電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝坏姆€定性和復現準確度提高了2～3個(gè)數量級。對于溫度單位開(kāi)爾文和物質(zhì)量的單位摩爾，也正在研究用給定波爾茲曼常量和阿伏伽德羅常量數值的辦法來(lái)重新定義，最近已取得了很好的進(jìn)展。

　　基于這些進(jìn)展，2005年10月國際計量委員會(huì )做出決議，原則上批準關(guān)于準備用基本物理常量重新定義基本單位的建議，預期將在2011年的24屆國際計量大會(huì )上做出相應的決議。目前，各國的計量研究院正在努力攻克經(jīng)典計量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計量基準來(lái)代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準。比較有希望的一種辦法是利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導出量子電功率基準，再經(jīng)過(guò)速度及重力導出質(zhì)量量值。最后可從普朗克常數導出質(zhì)量基準。這種方法稱(chēng)為“瓦特天平法（Watt Balance）”.目前有美、英、法、瑞士、國際計量局5個(gè)計量研究院正在進(jìn)行此項研究。右圖是美國NIST的“瓦特天平”的示意圖。其測量準確度已經(jīng)達到4