基本計(jì)量單位的進(jìn)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(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：基本物理常量；量子計(jì)量基準(zhǔn)

經(jīng)典計(jì)量基準(zhǔn)

　　目前我國的經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，但是以大量消耗能源和原材料為主的初級(jí)生產(chǎn)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題和生態(tài)問題。我們的對(duì)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(jì)節(jié)約資源消耗。創(chuàng)新和節(jié)約資源與計(jì)量均有極為密切的關(guān)系。因?yàn)橐_展創(chuàng)新和節(jié)約資源工作，首先必須有準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，而不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)會(huì)引起誤導(dǎo)。各種可能方案的比較，也要以準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)。

　　各種測量的準(zhǔn)確度是由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來保證的。而各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)最后均需溯源到計(jì)量基準(zhǔn)?，F(xiàn)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)就開始起步，于20世紀(jì)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(gè)基本單位?；締挝坏牧恐涤捎?jì)量基準(zhǔn)所保存及復(fù)現(xiàn)。19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計(jì)量基準(zhǔn)。這些計(jì)量基準(zhǔn)一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩(wěn)定的實(shí)物來實(shí)現(xiàn)，故稱為實(shí)物基準(zhǔn)。例如一個(gè)保存在巴黎國際計(jì)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(biāo)準(zhǔn)電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特；用一組標(biāo)準(zhǔn)電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位，等等。但是，實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)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(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(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(huì)使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準(zhǔn)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(yīng)需要。近年來與傳統(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)完全不同的量子計(jì)量基準(zhǔn)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(jì)量基準(zhǔn)

　　量子計(jì)量基準(zhǔn)基于量子物理學(xué)中闡明的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是微觀粒子的態(tài)和能級(jí)的概念。最著名和最成功的一種量子計(jì)量基準(zhǔn)，是1967年在國際上正式啟用的銫原子鐘。此種基準(zhǔn)用銫原子在兩個(gè)特定能級(jí)之間的量子躍遷所發(fā)射和吸收的無線電微波的高準(zhǔn)確頻率作為頻率和時(shí)間的基準(zhǔn)，以代替原來用地球的周期運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的天文時(shí)間基準(zhǔn)。而近年來銫原子鐘的準(zhǔn)確度已達(dá)到10^-15量級(jí)，比地球運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性高了6到7個(gè)數(shù)量級(jí)，幾千萬年才有可能相差1秒，充分說明了量子計(jì)量基準(zhǔn)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(dǎo)彈發(fā)射等軍事應(yīng)用方面均得到了卓越的應(yīng)用。最近有人根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出用鍶離子的長壽命能級(jí)之間的量子躍遷，可把原子鐘的準(zhǔn)確度再提高一步，達(dá)到10^-18量級(jí)。另一方面，由于激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)長壽命能級(jí)的知識(shí)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(dá)到10^-12量級(jí)，已替代86Kr光波長度基準(zhǔn)而成為新的更高水平的量子長度基準(zhǔn)。這樣的量子計(jì)量基準(zhǔn)有著下述的明顯優(yōu)點(diǎn)：