基本計量單位的進展

摘要：用固定若干基本物理常量的數(shù)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?shù)囊?guī)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)境問題和生態(tài)問題。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(jié)約資源消耗。創(chuàng)新和節(jié)約資源與計量均有極為密切的關系。因為要開展創(chuàng)新和節(jié)約資源工作，首先必須有準確的測量數(shù)據(jù)，而不準確的數(shù)據(jù)會引起誤導。各種可能方案的比較，也要以準確的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)。

　　各種測量的準確度是由計量標準來保證的。而各級計量標準最后均需溯源到計量基準?，F(xiàn)代社會廣泛使用的國際單位制SI從1875年簽訂米制公約時就開始起步，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、開爾文、坎德拉和摩爾7個基本單位?；締挝坏牧恐涤捎嬃炕鶞仕４婕皬同F(xiàn)。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(jù)經(jīng)典物理學的原理，用某種特別穩(wěn)定的實物來實現(xiàn)，故稱為實物基準。例如一個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間距離就定義為長度單位米(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單位伏特；用一組標準電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位，等等。但是，實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使它的特性發(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(nèi)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(shù)量也很難確切查明。這些問題已經(jīng)使傳統(tǒng)的量值傳遞檢定系統(tǒng)日益不能適應需要。近年來與傳統(tǒng)的實物基準完全不同的量子計量基準的出現(xiàn)，為解決以上問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中闡明的微觀粒子的運動規(guī)律，特別是微觀粒子的態(tài)和能級的概念。最著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特定能級之間的量子躍遷所發(fā)射和吸收的無線電微波的高準確頻率作為頻率和時間的基準，以代替原來用地球的周期運動導出的天文時間基準。而近年來銫原子鐘的準確度已達到10^-15量級，比地球運動的穩(wěn)定性高了6到7個數(shù)量級，幾千萬年才有可能相差1秒，充分說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、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(jù)實驗數(shù)據(jù)提出用鍶離子的長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，使人們對長壽命能級的知識不斷增加，制成了一系列極穩(wěn)定的激光器，其波長的穩(wěn)定性達到10^-12量級，已替代86Kr光波長度基準而成為新的更高水平的量子長度基準。這樣的量子計量基準有著下述的明顯優(yōu)點：