基本計量單位的進展

摘要：用固定若干基本物理常量的數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

經典計量基準

　　目前我國的經濟總量已經達到了相當的規模，但是以大量消耗能源和原材料為主的初級生產，造成了嚴重的環境問題和生態問題。我們的對策是一方面提倡創新，增加我國產品的技術含量；另一方面要千方百計節約資源消耗。創新和節約資源與計量均有極為密切的關系。因為要開展創新和節約資源工作，首先必須有準確的測量數據，而不準確的數據會引起誤導。各種可能方案的比較，也要以準確的測試數據為依據。

　　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。現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。基本單位的量值由計量基準所保存及復現。19世紀下半葉到20世紀上半葉，各國建立起了經典的計量基準。這些計量基準一般是根據經典物理學的原理，用某種特別穩定的實物來實現，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——千克原器砝碼的質量就定義為質量單位千克(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量發生變化。而且此種逐年積累的變化的準確數量也很難確切查明。這些問題已經使傳統的量值傳遞檢定系統日益不能適應需要。近年來與傳統的實物基準完全不同的量子計量基準的出現，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律，特別是微觀粒子的態和能級的概念。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，比地球運動的穩定性高了6到7個數量級，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越性。銫原子鐘的巨大成功在天文學、通信技術以至全球定位技術、導彈發射等軍事應用方面均得到了卓越的應用。最近有人根據實驗數據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，由于激光技術的飛速發展，使人們對長壽命能級的知識不斷增加，制成了一系列極穩定的激光器，其波長的穩定性達到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點：