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    4. 淺談計量單位的量子化

      日期:2019-05-15 來源:華北國家計量測試中心 【

      201811月召開的第26屆國際計量大會,將包含“千克”在內的四個國際單位制(SI)基本單位重新定義,自此,我們迎來國際單位制量子化新時代。到底什么是計量單位的量子化,本文從計量單位的發展概況,為什么要對SI基本單位進行重新定義,基于常數的SI基本單位定義和計量單位量子化演進的影響等四個方面進行簡析。

      一、計量單位的發展概況

      自從人類有了商品交換以后就有了計量。早期出現的計量單位的定義取決于人的主觀意志,它們往往以人體某個部位或自然物體為基準。在我國古書中有“布指知寸、布手知尺、舒臂為尋”“舉步為跬、倍跬為步”的記載。在古埃及,人們以自肘至指尖的長度作為一個腕尺,并以此建造出了金字塔。在英國,英王亨利一世的手臂向前平伸,以其鼻尖至指尖的距離定為一碼(約0.914 米)。此外,還有的用一百粒麥子排成直線的長度作為計量單位基準。

      主觀意志決定計量單位,導致的直接后果是計量單位的雜亂無章,嚴重阻礙人類社會的發展。1791年,“米”的定義誕生了,即把經過巴黎的地球子午線長度的4000萬分之一定義為1米。從1792年至1799年,法國天文學家利用7年時間完成了通過巴黎的地球子午線長度的測量工作。1799年,法國科學院根據測量結果制作了1米的長度基準——米原器,從此產生了以實物基準為代表的計量制度——米制。1875520日,17個國家的代表在法國巴黎正式簽署《米制公約》,確定米制為國際通用的計量單位。

      盡管地球非常龐大,但它的各種宏觀參數一直在緩慢變化,其運動周期的穩定性并不是很高。國際米原器的精確度只有0.1微米,并且難以復現,容易損壞,隨時間會有緩慢地變化。隨著人類對微觀世界的認識不斷深入,人類開始利用更為穩定和精準的微觀量子活動規律作為基準去定義計量單位。量子計量基準基于量子物理學中闡明的微觀粒子的運動規律,利用特定躍遷現象來復現計量單位。第一個付諸實用的量子計量單位是米,它是利用86Kr原子在兩個能級之間發生特定躍遷時所發射的光波的波長作為長度基準。1967年,以銫原子特定能級之間的躍遷頻率對時間單位秒的量子化定義,使秒成為最著名和最成功的量子化計量單位。

      量子計量基準的準確性也受限于一些物理法則,例如,量子計量基準的低不確定度源于微觀粒子在能級間的特定躍遷的高穩定性,而從目前的物理學知識來看,自然常量(如真空中光速c、普朗克常數h、玻爾茲曼常數k、電子電荷e)是恒定不變的,而且不依賴于具體物理過程?;谧匀怀刀x計量單位,不僅會有更高的穩定度,還會有很好的普適性。1983年,長度單位米基于自然常數光速c定義,米的定義改為“光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內所行進的路程的長度”。這樣的定義實際上把光速定義成了計量基準,而長度單位米則成了導出單位。這種定義的特點表現在,今后隨著實驗技術的提高,長度單位米的不確定度可以不斷改進而無需改動米的定義。因此,用自然常數定義的計量單位從準確度、普適性方面大大優于以往的單位定義方法。

      二、為什么要對SI基本單位進行重新定義

      1.當前SI基本單位定義存在問題

      現在計量單位的定義使用了多種方式,有實物原器,如國際千克原器(IPK);有特定的物理狀態,如開爾文的定義使用水的三相點;還有理想化的實驗方式,例如安培的定義;或自然常數,例如用光速來定義單位米。

      對于日常規模的測量而言,目前的國際單位制定義已經足夠。但是,對現代科學中的極端場景來說,SI這套工具就很糟糕,而且單位定義在某個特定的量級上,則遠離的量級越遠不確定度越大。例如,目前,毫克量級的測量,其最小相對不確定度至少是千克量級測量的2500倍。開爾文的定義是基于水三相點的定義值,即冰、液態水和水蒸氣共存時的溫度(定義為273.16開爾文)。當測量與水三相點相差巨大的溫度時(比如在1500℃以上加工金屬),要想準確地測出這一溫度比水三相點相差多少,就變得異常困難。

      為了實際使用,計量單位不僅需要被定義,而且為傳遞還必須物理上得到復現。如果單位的定義是理想狀態的,而要想按照定義復現它就存在諸多不便。例如,電流單位安培定義中的“無限長”“圓截面可忽略”等要素,在單位復現時都將引起難以克服的困難。

      2.基于人工實物基準的單位定義存在弊端

      就人工實物來說,定義和復現是等效的,這雖然簡單明了,但實物原器會發生變化以及被損傷和損壞。國際千克原器(IPK)1889年起就可能開始產生未知的變化和漂移,但它卻一直保持著定義標準的地位,而且從世界各地到巴黎去溯源也是一項艱巨的任務。

      3.對千克等單位重新定義的條件已經成熟

      對計量單位的重新修訂,是人們對計量單位長期穩定性的訴求。如果能復現基本單位的具體技術手段,可以隨著科學技術的進步而不斷與時俱進,而基本單位的定義可以無需更改,那這樣的基本單位制將更加科學,也可在更長的時期內為人們服務。

      對千克等單位的重新定義,也已經進行了多年的討論,2007年國際計量大會要求國際計量局及各國計量研究機構積極開展與SI基本單位重新定義有關的研究。經過無數計量學家的不懈努力,解決方案已相繼達到標準要求,而且根據現有經驗,自然常數的確定完全可以達到相應的準確度,對千克等單位重新定義的條件已經成熟。 

      三、基于常數的SI基本單位定義

      找到恒久不變的基準,一直是人類的夢想。計量單位的量子化定義,實際上是使用不變的自然法則創建不變的測量規則,而自然界常數的使用,能夠實現從最小的測量量到最大的測量量,將原子和量子尺度的測量與宏觀層面的測量聯系起來。

      在之前國際單位制單位定義的測量體系中,自然常數的值是由原定義的單位給定的,其數值由測量能力決定,這就導致基本常數的值總是處于不斷變化之中。新修訂的國際單位制完全基于自然常數, 且常數的值將固定不變,不確定度為0,計量單位將通過自然常數本身定義或常數定義的公式導出。因為自然常數恒定,單位制的基礎將是最堅實可靠且“普遍適用”的。

      例如,質量的單位千克,它基于普朗克常數h 的定義公式進行定義,普朗克常數h等于6.626 070 15×10-34kg m2 s-1,使這個關系倒置,便可以導出千克的定義表達式:


      而表達式中長度單位米(m)和時間單位秒(s)是依據光速常數(c)和銫133原子基態能級躍遷頻率(ΔνCs)定義。因此,就可以根據常數h、ΔνCsc值導出一個千克的常數表達式:


      以前的千克定義由國際千克原器的質量值m(K)確定,m(K)精確地等于1千克,普朗克常數h的值必須通過實驗來確定。千克的量子化定義首先精確地確定了h的值,而原器的質量現在必須通過實驗來確定。

      四、計量單位量子化的影響

      計量單位對人們日常生產生活的影響是潛移默化的。計量單位量子化定義后,人們的日常測量活動與以前沒有明顯不同,從超市中的電子秤到工業大尺寸坐標測量機, 再到實驗室中的全血細胞計數,定義修訂前后測量的數值都是一樣的。

      但計量單位的量子化定義能保證SI單位的未來能力,為未來發展奠定基礎,所帶來的進步將會逐漸顯現出來。一是計量單位的量子化定義,能夠不斷通過提高測量水平來提高單位復現的準確度,而不需要改變單位的基本定義。二是實現國際計量基準的量子化、量值傳遞溯源的扁平化,將可形成先進的多級全球計量量值中心或區域計量中心并開展量值傳遞溯源。三是將有力支撐新一輪技術革命,引發一大批技術產業的革命性創新發展。四是基于自然物理常數的計量單位量子化定義,原則上可在整個宇宙范圍內通用,將引領人類的步伐邁向地球之外的廣闊空間。

      追求精準,“進”無止境。精確度的每一步提升都引發了一場技術革命。計量單位的量子化,正改變著我們的未來,但永恒不變的是人類對精準的追求。

       

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