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量子计量基准的现状
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量子计量基准的现状
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量子计量基准发展的最新动向——基本物理常数与SI基本单位的重新定义
优质期刊推荐量子计量基准与基本物理常数研究
20:17:01& 来源：&
& & [摘　要]文章讲述了计量基准从实物基准到量子计量基准的发展过程,论述了基本物理常数的精密测量与量子计量基准的关系,指出了新一代量子计量基准的特点是基于微观物理学的规律,并设法把计量单位的定义与基本物理常数相联系。
&&各种工业计量的准确度是由计量标准来保证的。而各级计量标准最后均需溯源到计量基准。20世纪50年代以前,计量基准的量值一般是由实物基准所保存及 复现的。这种实物基准一般是根据经典物理学的原理,用某种特别稳定的实物来实现,而且总是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成,以保证其稳定性。例如 千克砝码原器就是用铂铱合金制成的一个圆柱体,平时保存在巴黎国际计量局地下室的真空罩中防止外界不良因素的影响。大家熟知的X型铂铱合金米尺也是一种使 用过几十年的实物基准。尺上两条刻线间距离就定义为长度单位米。电学实物基准是保存在国际计量局的饱和式韦斯顿标准电池组,其端电压的平均值就用来保持电 压单位伏特。
& & 实物基准及相应的计量量值传递检定系统给产业界提供了计量服务,确实在帮助产业界提升产品品质的工作中作出了贡献。但是,随着科技及工农业的发展,这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之处:
(1)最高的计量基准为某种实物。这样的实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所 改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例,缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此 种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。
& & (2)最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套,一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏,就无法完全一模一样地复制出来,原来连续保存的单位量值也会因之中断。
& & (3)量值传递检定系统庞大繁杂,从最高等级的实物基准到具体应用场所,量值要经过多次传递,准确度也必然会有所下降。
& & 上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。近年来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现,为解决以上问题提供了全新的途径。
量子物理学是20世纪初人们在对光辐射以及原子、分子等微观粒子的运动规律的研究中发展起来的,阐明了各种微观粒子的运动规律,特别是微观粒子的态和能级 的概念。按照量子物理学,宏观物体中的微观粒子如果处于相同的微观态,其能量有相同的确定值,也就是处于同一能级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁 时,将伴随着吸收或发射能量等于能级差&DE的电磁波能量子,也就是光子。而且电磁波频率&与&DE之间满足普朗克公式,即两者之间成比,而比例系数为普朗克 常数h。也就是说,电磁波的频率反映了能级差的数量。值得注意的是,宏观物体中基本粒子的能级结构与物体的宏观参数,如形状、体积、质量等等并无明显关 系。因此,即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化,也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程。这样,如果利用量子跃迁现象来复现计量单位,就可以从原则 上消除各种宏观参数不稳定产生的影响,所复现的计量单位不再会发生缓慢漂移,计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可 以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生,不象实物基准是特定的物体,一旦由于事故而毁伤,就不可能再准确复制。因此用量子跃迁复现计量单位对于 保持计量基准量值的高度连续性也有重大的价值。习惯上,此类用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准。
& & 第一个付诸实用的量子计量基准是1960年国际计量大会通过采用的86Kr光波长度基准。其原理是利用86Kr原子在两个特定能级之间发生量子跃迁时所发射的光波的波长作为长度基准。此种基准不象原来的X形原器米尺实物基准那样,长度量值受环境温度、气压等因素的影响,其准确度比实物基准高出近百倍,达到10-9量 级。第二个量子计量基准,也是最著名和最成功的一种量子计量基准,是1967年在国际上正式启用的铯原子钟。此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃 迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准,以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准。尽管地球这个实物庞大无比,但其各种宏观 参数亦在缓慢地变化,因而其运动的稳定性并不算很高,仅为10-8量级。而近年来铯原子钟的准确度已达到10-14量 级,比地球运动的稳定性高了5到6个数量级,几百万年才有可能相差一秒,充分说明了量子计量基准的重大优越性。铯原子钟的巨大成功在天文学、通信技术以至 全球定位技术、导弹发射等军事应用方面均得到了卓越的应用。最近有人根据实验数据提出用钙离子的长寿命能级之间的量子跃迁,可把原子钟的准确度再提高一 步,达到10-15量级。一些其他更有前途的方案,如激光冷却的铯原子喷泉等,也在发展之中。近年来由于激光技术的飞速发展,使人们对长寿命能级的知识不 断增加,制成了一系列极稳定的激光器,其波长的稳定性达到10-12量级,于1983年替代了86Kr光波 长度基准而成为新的更高水平的量子长度基准。与本世纪上半叶还在使用的X型原器米尺实物基准相比,真是不可同日而语了。同时,长度单位米的定义也变更为 &真空中光在1/299 792 458秒的时间间隔内飞行的距离&。这样定义的长度单位只跟基本物理常数&&&真空中的光速c0有关,不会因激光技术的进步而需要更改。
随着人们对各种量子跃迁的认识不断深入,量子计量基准已不再局限于复现长度与时间这两种基本单位。20世纪80年代以来,电学的量子计量基准也得到了飞速 的发展。两种荣获诺贝尔物理学奖的重大发现导致了约瑟夫森电压量子基准和量子化霍尔电阻基准的建立。1988年国际计量委员会已建议从日 起在世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准以代替原来的由标准电池和标准电阻维持的实物基准,并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常数 (KJ=2e/h)及冯克里青常数(RK=h/e2)的国际推荐值。从几年来的实践结果来看,1988年国 际计量委员会的建议是十分有效的。采用新方法后电压单位和电阻单位的稳定性和复现准确度提高了2~3个数量级。新的量子电学基准的特点也是只与两个基本物 理常数&普朗克常数h及基本电荷量e有关,不会因具体实现手段而发生变化。
由上所述可以看到,新一代的量子计量基准的特点是基于微观物理学的规律,并设法把计量单位的定义与基本物理常数相联系。由于基本物理常数是不会变化的,因 此这样定义的计量单位极为稳定,不会随着时间而发生漂移。而且单位的定义也无需因具体实现手段的进步而变化。这正是多年来计量工作者所向往的情况。
计量基准的准确度要求很高。为了用基本物理常数复现计量单位,必须首先用精密物理实验把有关的基本物理常数测量得非常准确。另一方面,这些精密物理实验也 正是发现新的物理规律的重要手段,一些重要的精密物理实验就是在国家级的计量实验室中借助现代计量仪器完成的。因此,基本物理常数的精密测量就成了现代物 理学与计量学的结合点,这一方面的工作吸引了许多优秀的物理学家和计量学家。
& & 鉴于上述情况20世纪下半叶国际物理和化学常数委员会(CODATA)特别成立了一个基本物理常数任务组(Task Group on
Fundamental Physical
Con-stants),主要任务是收集各国在最精密的基本物理常数测量工作方面的新进展,并进行&基本物理常数的平差工作(The
adjustment of fundamental physicalconstants)&。
& & 广义说来,基本物理常数是指那些在物理学中起着基本而广泛作用的普适常数。如真空中的光速c0、普朗克常数h、基本 电荷量e、阿伏伽德罗常数N以及许多有关微观粒子的常数等等。这些常数的数值往往会影响到物理学的许多方面,所以,并不是每一个新的实验结果马上就会得到 普遍的承认和采用。一方面,单个的实验结果难说是否存在某种疏失。另一方面,物理常数之间通过物理方程是相互联系。某个常数的数值有所变动,往往会影响到 别的常数数值。所以,该工作组广泛收集各国在最精密的基本物理常数测量工作方面的新进展,并且每年举行一次年会,对一年来基本物理常数精密测量方面的新进 展进行回顾和评论。经过一段时间,新的数据积累多了,就根据一系列有关的物理方程式用最小二乘法得到一组&最佳的&基本物理常数数值。这也就是上面提到的 &基本物理常数的平差工作&。这样的平差工作一般是几年进行一次。最近的一次是1998年进行的。
& & 目前,各国的计量学家正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒&&&用某种量子计量基准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是19世纪制成的,当时估计其准确度为10-9量 级,在19世纪的各种计量基准中首屈一指。可惜的是其后陆续发现了不少因素会使其保存的质量量值不断发生变化。例如该砝码尽管不易氧化,但其表面仍会吸附 一些肉眼无法察觉的气体分子和其他杂物,甚至其内部也会吸附氢气等气体。这些过程使该砝码质量的增加量可能已达到了1&10-8以 上。仔细的清洗过程可以减少此种被吸附的杂物,但过一段时间又会发生类似过程。为了摆脱此种困境,亦应该用某种适当的量子计量基准来代替这一已明显跟不上 时代步伐的实物基准。目前对这一十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如用高度提纯的硅晶体作成一个质量为1kg的硅球,并设法计数出硅球中的硅原子的 数目。这样就可用硅原子质量来作为新的量子质量基准。这一方案虽经多年探索,准确度还只达到10-8量级,尚未能直接取代铂铱合金 砝码。还有一种办法是利用电功率天平。即在一架精密天平上一边挂上一个通以电流的线圈,并用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准。天平的另一 边用砝码平衡,再经过速度及重力导出质量量值。这样就把质量的量值溯源到了量子电学基准,因此也是一种量子质量基准。尽管这种方案构思十分巧妙,但稍嫌复 杂,目前的准确度也只能达到10-8量级。
& & 2001年CODATA基本物理常数任务组年会上,量子质量基准的问题成为讨论的热点问题之一。关于硅球方案,遇到的困难主要是硅球直径的精密测量。要使测量准确度达到10-9量 级,硅球直径的测量不确定度需小于0&1nm,十分困难。另一方面,对实际球样品的测量数据表明,各个方向的直径不一致,因此硅球的几何中心也很难确定, 对于精确计算其体积造成了困难。关于电功率天平方案,前景要好一点。目前还未看到有原则性的障碍,但工作难度很大。美国和英国的电功率天平的测量结果一致 性已进入10-8量级,但最近瑞士也进行了此项工作,测量结果与美、英有差别。可见要真正用电功率天平实现量子质量基准,还有很长的一段路要走。但是由于 这一方案前景较好,最近又有几个欧洲国家准备进行这一工作。
& & 除了质量量子基准,量子化霍尔电阻标准及精细结构常数&的问题也是年会中的讨论热点之一。精细结构常数&在微观物理学中极为重要,所以如何求得其准确数值一直是一个受到关注的问题。&与量子化霍尔效应中的冯克里青常数RK=h/ (e2)之间存在下述关系式:
& & &&=&0c0/ (2RK)
式中&0为真空的磁导率,等于4&&10-7H/m,c0是真空中的光速,已定义为量值等于m/s的常数。由于&0和c0这两个常数均定义成无误差的常数,所以&0c0也是无误差的。这样,只要求得冯克里青常数RK的SI值,就可立即求出精细结构常数&的数值。
& & 冯克里青常数RK的SI值一般用计算电容方法求出。在1998年的基本物理常数平差工作中,只有美、英、澳、中四个 国家计量实验室的计算电容实验结果被选中作为导出冯克里青常数RK的SI值的依据。因此会议希望有能力的国家进一步进行用计算电容方法求出冯克里青常数 RK的SI值的实验。最近,澳大利亚NML的计算电容专家Small博士退休后被聘到国际计量局进行建立计算电容的工作。这一措施一方面表示国际计量局对 此问题的重视,同时也暗示着对计算电容的发明者&&&澳大利亚Thompson博士的尊重和肯定。
& & 在年会中,对引力常数G的测量结果也进行了较多的讨论。G是一个很重要的基本物理常数,在天体物理学中起着关键的作用。中国华中理工大学的一个小组在我国自然科学基金会的支持下在此方面进行了很好的工作,受到了国际上的重视。
& & 在新的世纪中,基本物理常数的精密测量与量子计量基准的相互促进将更为明显。我国目前在此方面虽然也有一些工作达到了一定的水平,但总的来说占的比例很小,影响不大。鉴于此方面工作的重要性,建议有关领导方面予以关注,加强投入。
& & 表1中列出了CODATA基本物理常数任务组在1998年所作的基本物理常数平差所得到的一些最重要的基本物理常数的推荐数值,以便读者应用。
& & 作者：张钟华
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> 基本计量单位的进展
基本计量单位的进展
摘要：用固定若干基本物理常量的数值重新定义国际单位制基本单位，可以大幅提高基本单位的准确性。关键词：基本物理常量；量子计量基准
经典计量基准
　　目前我国的经济总量已经达到了相当的规模，但是以大量消耗能源和原材料为主的初级生产，造成了严重的环境问题和生态问题。我们的对策是一方面提倡创新，增加我国产品的技术含量；另一方面要千方百计节约资源消耗。创新和节约资源与计量均有极为密切的关系。因为要开展创新和节约资源工作，首先必须有准确的测量数据，而不准确的数据会引起误导。各种可能方案的比较，也要以准确的测试数据为依据。
　　各种测量的准确度是由计量标准来保证的。而各级计量标准最后均需溯源到计量基准。现代社会广泛使用的国际单位制SI从1875年签订米制公约时就开始起步，于20世纪中叶基本完成。国际单位制中定义了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉和摩尔7个基本单位。基本单位的量值由计量基准所保存及复现。19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局(BIPM)的铂铱合金圆柱——千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克(图1)；一根X型铂铱合金米尺原器上两条刻线间距离就定义为长度单位米(图2)；用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特；用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位，等等。但是，实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化，因而它所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。这些问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。近年来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。
　　　　　图1& 千克原器砝码模型
　　　　　图2& 米尺原器模型
量子计量基准
　　量子计量基准基于量子物理学中阐明的微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能级的概念。最著名和最成功的一种量子计量基准，是1967年在国际上正式启用的铯原子钟。此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准。而近年来铯原子钟的准确度已达到10-15量级，比地球运动的稳定性高了6到7个数量级，几千万年才有可能相差1秒，充分说明了量子计量基准的重大优越性。铯原子钟的巨大成功在天文学、通信技术以至全球定位技术、导弹发射等军事应用方面均得到了卓越的应用。最近有人根据实验数据提出用锶离子的长寿命能级之间的量子跃迁，可把原子钟的准确度再提高一步，达到10-18量级。另一方面，由于激光技术的飞速发展，使人们对长寿命能级的知识不断增加，制成了一系列极稳定的激光器，其波长的稳定性达到10-12量级，已替代86Kr光波长度基准而成为新的更高水平的量子长度基准。这样的量子计量基准有着下述的明显优点：
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《张钟华院士论文集》主要收集张 钟华院士本人和他的同事共写的部分材料。本论文集 中，“计量科技新发展和基标准溯源”描述了计量科 技发展的趋势和努力方向，系统描述了量子计量基准 的重要性及发展的过程，今后面临的重点解决的计量 课题和国际单位制SI中的基本单位的溯源问题；“基 本物理量新概念”介绍了七种基本基准量和环绕基本 物理常量的单位制定义；“新技术在计量科技中的应 用”是系统回顾在计量科技发展过程中，当今我们重 点研究的技术领域，如量子计量基准，交流电阻值的 计量等科技项目。
计量科技新发展和基标准溯源准确的计量是国家发展科技创新事业的基础21世纪计量技术的新发展21世纪电磁计量的展望电磁计量的量子基准及量子三角形量子计量基准发展的最新动向――基本物理常数与SI基本单位的重新定义量子计量基准的现状量子计量基准概况及研究进展量子计量基准及其进展――现代计量科学专题之一我与“量子化霍尔效应”计量及其社会功能完善节能计量制度计量领域近年来的主要技术发展趋势计量测试技术的新动态加强我国计量基标准的研究现代计量测试技术的进展我国古代度量衡的辉煌成就及现代计量的自主创新我国现代仪器仪表技术的发展战略我国仪器仪表产业与技术发展战略思考展望计量科学的前沿课题――SI基本单位的重新定义基本物理量新概念基本物理常量与国际单位制基本单位的重新定义计量单位制及基本单位计量基准与基本物理常数CODATA发布新的基本物理常数平差结果国际计量单位制SI面临重大发展从马年无立春看我国时间计量历法方法量子计量基准及SI基本单位的重新定义量子计量基准与基本物理常数量子基准与基本物理常数基本物理化学常数的CODATA最新推荐值论单位制的结构及变换
新技术在计量科技中的应用交流量子化霍尔效应及其应用交流量子化霍尔电阻研究中遇到的问题交流阻抗的溯源问题低温电流比较仪及其应用提高低温电流比较仪测量准确度的几方面措施功率天平准直参数及其调整措施的分析交流电阻标准研究进展电阻电容电桥研究进展一种提高交直流开尔文电桥测量准确度的新方法双螺线电阻静电屏蔽方法研究低温电流比较仪动态特性的研究焦耳天平磁场系统关键技术研究宽频开尔文电桥的屏蔽防护研究精密宽频开尔文电桥的研制解耦技术在精密控温中的应用核磁共振法快速测量大豆含油量量子化霍尔电阻国家标准的研究量子物理与量子计量基准基于量子化霍尔电阻考核的国家电阻基准的稳定性中国的量子化霍尔电阻标准中国的量子化霍尔效应电阻标准中国计量科学研究院建成的量子化霍尔电阻标准用单片机实现的高精度音频频率计启用量子化霍尔电阻基准时国内直流电阻量值的修正普朗克常数h测定系统中磁场线圈稳流源研究Kelvin式等电位保护电极的气隙误差变动边界微扰法及其对精密电容器误差计算的应用等相移网络的最优化设计法关于超导磁屏蔽问题的一些研究及对超导电流比较仪的应用关于线性系统对脉冲面积的变换的研究及其应用基于单片微计算机的新型核磁共振信号锁定及搜索系统一种用增量法测量小电感的新型电桥用矩阵微扰法计算精密电磁测量线路的误差
新技术在计量科技中的应用（英文）A Cross-capacitor with Fixed Value in NIMA New Method for Reducing the End-effect Error of the Cross-capacitor with aMovable Guard RodCompensating the Error of IVD to a Magnitude of 10 9 within 400 Hz-20 kHz byMeans of RC Network Designed by an Optimization ProgrammeA Determination of the SI Value of QHR by the Cross-capacitor in NIMHall-effect in the Two-dimensional Specimen with Cross-section of ArbitraryShape and its Possible ApplicationsRecent Development on the Joule Balance at NIMThe Joule Balance in NIM of ChinaA Precise Measurement of QHR at NIMA Proposal for Absolute Determination of Inertial Mass by Measuring OscillationPeriods Based on the Quasi-elastic Electrostatic ForceAn NMR Magnetic Field Meter for Measuring High Fields at Liquid-heliumTemperaturesMethod for Reduction of AC-DC Transfer Error Caused by the Thomson Effect forthe Multijunction Thermal Converter
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