量子计量基准与基本物理常数

    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ΔE的电磁波能量子,也就是光子。而且电磁波频率ν与ΔE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。