中国计量科学研究院  张钟华

    建立高度准确的计量基准的需求来自两个方面:首先是18世纪的工业革命以来，大规模生产的发展对零件的标准化及互换性要求的日益提高；另一方面是力学、天文学及物理学其它分支的发展，也要求高度准确的计量标准以适应各种精密实验及观测的要求。目前国际上普遍采用的国际单位制SI，起源于19世纪下半叶。为了提高基本计量单位的复现准确度，计量学家们利用了当时技术上能实现的最稳定的材料——铂铱合金，制成了X形米尺原器和千克砝码原器，用一组保存在国际计量局的高稳定韦斯顿饱和标准电池的电动势平均值，复现了电压单位等。由于这些用于保存和复现计量单位的量具是一些具体的实物，所以也称为实物基准。
    这些实物基准代表了19世纪与20世纪之交的最高技术水平，实用中也确实满足了当时科研工作及工业生产的需要。但是，这些实物基准的缺点正在于它们是一些具体的实物。由于一些不易控制的物理和化学过程，它们保存的量值会发生缓慢的变化，这显然不能满足20世纪对计量准确度日益提高的要求。
    如果只从改善材料稳定性及制作工艺的方向努力，很难大幅度提高实物基准的准确度。20世纪量子物理学的辉煌成就，为计量科学提供了飞跃发展的机会。量子物理学阐明了构成物质的基本粒子——电子、质子等的运动规律，特别是基本粒子的态和能级的概念。按照量子力学，处于相同态中的粒子，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相当于能级差Δε电磁波能量子，而且电磁波频率ν与Δε之间满足普朗克公式Δε=hν，其中的h为普朗克常数。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、质量大小……等并无关系。因此，既使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中基本粒子的量子跃迁过程。
    这样，如果利用量子跃迁现象复现计量单位，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；而实物基准则是特定的物体，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，此类用量子跃迁现象复现量值的计量基准，统称为量子计量基准。
    第一个付诸实施的量子计量基准，是1960年国际计量大会通过采用的K_r⁸⁶光波长度基准，其原理是利用K_r⁸⁶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1968年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五、六个数量级，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。
    量子计量基准的准确性也受到一些原则性的限制。前面已谈到过，量子计量基准的高准确度源于基本粒子在能级间的量子跃迁过程的高稳定性。当然，这首先要求与跃迁有关的能级本身十分稳定。如果能级的不确定性为ΔE，处于此能级上的粒子的寿命为Δt，按照海森伯测不准关系有
    ΔE·Δt～h/2π
    如果Δt越长，能级的不确定性ΔE也就越小。这就促使科学家努力寻找各种长寿命能级，以进一步提高量子计量基准的准确度。
    例如，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。一些其它更有前途的方案，也正在孕育之中。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，并于1982年替代了K_r⁸⁶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形原器米尺实物基准相比，真是不可同日而语了。
    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长度与时间这两种基本单位的复现。80年代以来，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展，利用超导体中的库柏电子对越过约瑟夫森结的势垒时的量子跃迁，可有2eV=hv，2e为库柏电子对的电荷，V为约瑟夫森结两边的电压。利用此种量子跃迁，可把电压与微波幅射频率联系起来，得到准确度与频率基准相接近的量子电压基准，目前其准确度已达到10^-13。另一方面，利用量子化霍尔效应制成的量子电阻基准，准确度亦已达到10^-10量级。而传统的标准电池和线绕电阻这类实物基准的准确度仅为10^-7量级，与量子基准相比较，差距是十分明显的。不难看出，基于量子物理学的量子计量基准的建立和发展，已成为20世纪计量学的十分明显的特色。
    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中的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是上一世纪制成的，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影响因素，会使其保存的质量量值不断发生变化。例如，该砝码尽管不会氧化，但其表面仍会吸附一些肉眼无法察觉的气体分子和其它杂物，使质量的增加量达到十多微克(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中的硅原子质量，来作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法。其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。这一方案虽经多年探索，但准确度只达到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。从原则上说也算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，目前的准确也只能达到10^-8量级。国际计量局已明确号召各国的计量科学家，用各种各样的方案来攻克量子质量基准这一难关，但看起来要到21世纪才有可能见到实用价值的成果。