計(jì)量領(lǐng)域近年來的主要技術(shù)發(fā)展趨勢

作者:中國計(jì)量科學(xué)研究院  張鐘華院士

　　計(jì)量領(lǐng)域近年來的主要發(fā)展趨勢是用固定若干基本物理常數(shù)的數(shù)值來重新定義基本單位，以此可以大幅度提高基本單位的準(zhǔn)確性。20世紀(jì)50年代以前，基本單位的量值由實(shí)物基準(zhǔn)所保存及復(fù)現(xiàn)。其典型實(shí)例是19世紀(jì)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(jì)量局，其質(zhì)量就被定義為質(zhì)量單位千克。隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統(tǒng)計(jì)量基準(zhǔn)開始反映出穩(wěn)定性不夠好、難于準(zhǔn)確復(fù)制等不足之處，日益顯得不能適應(yīng)需要。

　　從目前的物理學(xué)知識來看，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(wěn)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期保持穩(wěn)定。復(fù)現(xiàn)基本單位的具體技術(shù)手段可以隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷與時俱進(jìn)，但基本單位的定義可以無需更改。

　　用基本物理常量重新定義基本單位的做法首先在長度單位的定義方面取得了突破。如果把真空中的光速數(shù)值固定下來，視作無誤差常量，反過來用頻率單位和真空中的光速導(dǎo)出長度單位，即把長度單位米的定義變更為“真空中光在1/299 792 458秒的時間間隔內(nèi)飛行的距離”，長度單位的定義也就可以長期穩(wěn)定下來。1983年，國際計(jì)量大會正式通過了長度單位的新定義，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(jì)量委員會建議，從1990年1月1日起在世界范圍內(nèi)啟用約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)及量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)以代替原來由標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻維持的實(shí)物基準(zhǔn)，等效于用普朗克常量h和基本電荷e這兩個基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標(biāo)準(zhǔn)來導(dǎo)出電壓單位和電阻單位。從幾年來的實(shí)踐結(jié)果看，1988年國際計(jì)量委員會的建議是十分有效的。采用新方法后電壓單位和電阻單位的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度提高了2～3個數(shù)量級。對于溫度單位開爾文和物質(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(shù)值的辦法來重新定義，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(jì)量委員會做出決議，原則上批準(zhǔn)關(guān)于準(zhǔn)備用基本物理常量重新定義基本單位的建議，預(yù)期將在2011年的24屆國際計(jì)量大會上做出相應(yīng)的決議。目前，各國的計(jì)量研究院正在努力攻克經(jīng)典計(jì)量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計(jì)量基準(zhǔn)來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準(zhǔn)。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(dǎo)出量子電功率基準(zhǔn)，再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值。最后可從普朗克常數(shù)導(dǎo)出質(zhì)量基準(zhǔn)。這種方法稱為“瓦特天平法（Watt Balance）”.目前有美、英、法、瑞士、國際計(jì)量局5個計(jì)量研究院正在進(jìn)行此項(xiàng)研究。右圖是美國NIST的“瓦特天平”的示意圖。其測量準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到4