计量领域近年来的主要技术发展趋势

作者:中国计量科学研究院 张钟华院士

计量领域近年来的主要发展趋势是用固定若干基本物理常数的数值来重新定义基本单位，以此可以大幅度提高基本单位的准确性。20世纪50年代以前，基本单位的量值由实物基准所保存及复现。其典型实例是19世纪末制成的铂铱合金千克砝码原器。该院其保存在巴黎的国际计量局，其质量就被定义为质量单位千克。随着科技及工农业的发展，这样的传统计量基准开始反映出稳定性不够好、难于准确复制等不足之处，日益显得不能适应需要。

　　从目前的物理学知识来看，基本物理常量（如真空中光速c、普朗克常量h、电子电荷e等）是不变的，有最好的稳定性。如果能把基本单位用基本物理常量重新定义，基本单位的定义将能长期保持稳定。复现基本单位的具体技术手段可以随着科学技术的进步而不断与时俱进，但基本单位的定义可以无需更改。

　　用基本物理常量重新定义基本单位的做法首先在长度单位的定义方面取得了突破。如果把真空中的光速数值固定下来，视作无误差常量，反过来用频率单位和真空中的光速导出长度单位，即把长度单位米的定义变更为“真空中光在1/299 792 458秒的时间间隔内飞行的距离”，长度单位的定义也就可以长期稳定下来。1983年，国际计量大会正式通过了长度单位的新定义，在用基本物理常量定义基本单位的道路上迈出了重要的一步。此后，电学的基本单位也得到了飞速的发展。1988年国际计量委员会建议，从1990年1月1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由标准电池和标准电阻维持的实物基准，等效于用普朗克常量h和基本电荷e这两个基本物理常数结合频率标准来导出电压单位和电阻单位。从几年来的实践结果看，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。对于温度单位开尔文和物质量的单位摩尔，也正在研究用给定波尔兹曼常量和阿伏伽德罗常量数值的办法来重新定义，最近已取得了很好的进展。

　　基于这些进展，2005年10月国际计量委员会做出决议，原则上批准关于准备用基本物理常量重新定义基本单位的建议，预期将在2011年的24届国际计量大会上做出相应的决议。目前，各国的计量研究院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。比较有希望的一种办法是利用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准，再经过速度及重力导出质量量值。最后可从普朗克常数导出质量基准。这种方法称为“瓦特天平法（Watt Balance）”.目前有美、英、法、瑞士、国际计量局5个计量研究院正在进行此项研究。右图是美国NIST的“瓦特天平”的示意图。其测量准确度已经达到4