計量領域近年來的主要技術發展趨勢

作者:中國計量科學研究院  張鐘華院士

　　計量領域近年來的主要發展趨勢是用固定若干基本物理常數的數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確性。20世紀50年代以前，基本單位的量值由實物基準所保存及復現。其典型實例是19世紀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量局，其質量就被定義為質量單位千克。隨著科技及工農業的發展，這樣的傳統計量基準開始反映出穩定性不夠好、難于準確復制等不足之處，日益顯得不能適應需要。

　　從目前的物理學知識來看，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定。復現基本單位的具體技術手段可以隨著科學技術的進步而不斷與時俱進，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秒的時間間隔內飛行的距離”，長度單位的定義也就可以長期穩定下來。1983年，國際計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，電學的基本單位也得到了飛速的發展。1988年國際計量委員會建議，從1990年1月1日起在世界范圍內啟用約瑟夫森電壓標準及量子化霍爾電阻標準以代替原來由標準電池和標準電阻維持的實物基準，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結合頻率標準來導出電壓單位和電阻單位。從幾年來的實踐結果看，1988年國際計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定性和復現準確度提高了2～3個數量級。對于溫度單位開爾文和物質量的單位摩爾，也正在研究用給定波爾茲曼常量和阿伏伽德羅常量數值的辦法來重新定義，最近已取得了很好的進展。

　　基于這些進展，2005年10月國際計量委員會做出決議，原則上批準關于準備用基本物理常量重新定義基本單位的建議，預期將在2011年的24屆國際計量大會上做出相應的決議。目前，各國的計量研究院正在努力攻克經典計量學中的頑固堡壘——用某種量子計量基準來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實物基準。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出量子電功率基準，再經過速度及重力導出質量量值。最后可從普朗克常數導出質量基準。這種方法稱為“瓦特天平法（Watt Balance）”.目前有美、英、法、瑞士、國際計量局5個計量研究院正在進行此項研究。右圖是美國NIST的“瓦特天平”的示意圖。其測量準確度已經達到4