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：