計(jì)量領(lǐng)域近年來(lái)的主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
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張鐘華院士
中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
計(jì)量領(lǐng)域近年來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)是用固定若干基本物理常數(shù)的數(shù)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(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。該原器保存在巴黎的國(guó)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(shí)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(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(zhǎng)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(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(zhǎng)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(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(dǎo)出長(zhǎng)度單位，即把長(zhǎng)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(nèi)飛行的距離”，長(zhǎng)度單位的定義也就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定下來(lái)。1983年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了長(zhǎng)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(guó)際計(jì)量委員會(huì)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(lái)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(gè)基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)導(dǎo)出電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝?。從幾年?lái)的實(shí)踐結(jié)果看，1988年國(guó)際計(jì)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€(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度提高了2?3個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)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(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(guó)際計(jì)量委員會(huì)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(guó)際計(jì)量大會(huì)上做出相應(yīng)的決議。目前，各國(guó)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(lái)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(guò)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(guó)際計(jì)量局5個(gè)計(jì)量研究院正在進(jìn)行此項(xiàng)研究。
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