计量基准与基本物理常数

　　一、引言

　　高准确度的讨一量是由于现代生产需要而产生的。特别是二十世纪后半期,工业产品不断更新换代,向高精尖方向发展,因而对计量提出了越来越高的要求。一个国家的产品质量如何,决定了这个国家的产品在国际市场上的竞争一力以至生存能力。因此各先进国家纷纷对计-量工作投入了大量人力物力予以加强。其中最有说服力的例子是美国政府近年来为了减少政府开支赤字,对许多基础研究项目的经费大幅度削减,但对于美国的计量中心—国家标准技术研究所(NIST)的拨款却成倍增加(如1994年比1993年增长110%,1995年又比1994年增长69%,达到8.79亿美元),以此为重要手段提高美国产品的质量及竞争力。德国、日本、韩国以及我国台湾地区等都不甘示弱,以大量投资提高计量工作的准确度及服务能力,促进本国的高技术产品在国际市场上的竞争力。

　　另一方面,计量对于基础科学研究也是重要支柱之一。基础研究的基本任务是探索物质世界的奥秘,它需要各种高准确度、高灵敏度的仪器来探测和发现新现象、新规律。这些仪器的准确性及各种技术指标则需要现代计量技术来保证。这就不难理解,李政道、杨振宁关于弱相互作用时宇称不守恒的假设是由胡键雄博士用美国标准局(NRS,即NISI’的前身)的实验条件加以证实的。计量技术保证的高准确度及相关的精密测量技术为基础研究提供了有-力的手段。

　　计量准确度之所以得到保证,一方而固然由于使用了各种精密的计量仪器,更重要的-点在于计量是一种有溯源性的测量,即通过计量过程所得到的量值最终可追溯到“计量基准”也就是复现国际单位制Sl中定义原始单位的手段或方法。计量基准所复现和保存的量值有着极高的稳定性,而且在国际范围内统一。

　　二、实物基准、量子基准

　　传统的计量基准往往用某种特别稳定的实物来实现,故称为“实物基准飞例如保存在巴黎国际计量.局(RIPM)的铂铱合金千克原器祛码的质量就定义为l千克;X型铂铱合金米尺的刻线间距离定义为1米;用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持伏特单位;用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持欧姆单位等等。这些实物基准是用十九世纪末二十世纪初的工业界所能提供的最好的材料及工艺制成的,在当时也满足了对一于计量基准的准确度及稳定性的要求,但实物基准的缺点也正在于它们是某种具体的实物。随着各种各样缓慢的物理和化学过程的发展,它们所保存的量值会随时间发生缓慢的漂移。而且一旦由于某种事故而产生损坏,也无法完美地复制,因此从二十世纪六十年代开始就逐步改用一些特定原了系统中的量子效应来定义单位的量值,即开始了“量子基准”的时代。例如1960年的第十-届国际计量大会规定“长度单位米(m)等于氢—86原子的2PI‘)和sd。能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度飞1967年的第十三届国际计量大会规定“时间单位秒是艳—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”这些量子基准所涉及的是特定种类的原子在发生量子跃迁时对应的物理量的量值,它不会随时间产生漂移,其准确度和稳定性均大大超过原来的实物基准。而且量子基准可以在全世界任一处复现,不存在因事故损坏而无法复制的问题。可以说,量子基准的采用大大提高了sI单位的准确性和可靠性。但是,这样的量子基准还有其局限性,主要反映在它依赖于某一种原子的特定量子跃迁过程。如果后来又发现了别的更准确的量子跃迁过程,就会涉及修改单位定义的问题。因此从本世纪八十年代起,人们又不断探讨另一种更好的方法,即用基本物理常数来作为计量基准的方法。