基本物理常数与计量基本单位

收稿日期：2002-12-27.基金项目：湖北省教育厅2002年度重点项目（B 类）.作者简介：杨建平（1964-），女，副教授，主要从事物理学史的研究.基本物理常数与计量基本单位杨建平（湖北民族学院物理系，湖北恩施445000）摘要：基本物理常数的发现和测量，不仅在物理学的发展中起到了很大的作用，而且在计量学的发展上也起到了重要的作用.设法把计量单位的定义与基本物理常数相联系，详细分析了长度单位、电压单位、电阻单位以及质量单位与基本物理常数的关系.由于基本物理常数是不会变化的，因此这样定义的计量单位极为稳定，不会随着时间而发生漂移.关键词：基本物理常数；计量基准；单位制中图分类号：04-34文献标识：A 文章编号：1008-8423（2003）02-0069-03基本物理常数是指那些在物理学中起着基本而广泛作用的普适常数.如真空中的光速c 、普朗克常数1、基本电荷量e 、阿伏伽德罗常数N A 以及许多有关微观粒子的常数等等.基本物理常数的发现和测量，不仅在物理学的发展中起到了很大的作用，而且在计量学的发展上也起到了重要的作用.普朗克早在20世纪初就建议用基本物理常数来定义物理量的基本单位，也就是计量基本单位.但由于当时的测量准确度还很低，这个愿望未能实现.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.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一些不足：实物基准一旦做成，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；最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦因为某种意外原因而损坏，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；量值传递检定系统庞大复杂，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.为了解决这些问题，人们就要寻找那些不依赖于某一具体实物具体特性的计量基准，从而诞生了量子计量基准.量子计量基准基于量子物理学中阐明的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!E 的电磁波能量子，即光子.而且，电磁波频率!与!E 之间满足普朗克公式，而比例系数为普朗克常数1.也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量.另一方面，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，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提高.而且量子跃迁复现计量单位不受时间、地点的限制.现在，把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，而量子计量基准中，又依赖于一些基本物理常数.20世纪80年代开始，随着基本物理常数准确度的不断提高，长度单位、电学量电压和电阻单第21卷第2期2003年6月湖北民族学院学报（自然科学版）JournaI of Hubei Institute for NationaIities （NaturaI Science Edition ）VoI.21No.2Jun.2003位均先后采用了有关物理常数来定义，而且现在全世界范围内正在着手用基本物理常数来更新千克的定义. 1长度单位米的定义与基本物理常数c20世纪60年代开始用一些特定原子系统的量子效应来定义单位的量值，即开始了“量子计量基准”的时代［1］.第一个付诸实施的量子计量基准是1960年第十一届国际计量大会规定的：“长度单位米（m）等于86 Kr原子的2P10和5c5能级之间的跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度”.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1967年在第十三届国际计量大会上规定的铯原子钟，即“时间单位秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”.这些量子计量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计量基准.而且量子计量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.但是，这样的计量基准还有其局限性，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20世纪80年代起，人们又不断探讨另一种更好的方法，即用某种物理常数来作为计量基准的方法.第一个被采用的基本物理常数是真空中的光速c，真空中的光速c是指电磁波在真空中传播的速度.电磁波在折射率为D的介质中的传播速度为c/D，由于任何介质的D均大于1，只有真空中的D=1，因此在介质中的光速均小于真空中的光速c.根据狭义相对论的假设，真空中的光速c为一恒定值，它不随光源或接受器的速度而变化，是一个基本物理常数. 20世纪70年代初，计量学家通过精密测量稳频激光的频率f及其在真空中的波长值!，获得了准确的真空中光速c的数值为：c=f!=299792458mS-1，其中不确定度为1.2mS-1.相对不确定度为4X10-9.1973年的常数推荐值为即为此数值.1983年第十七届国际计量大会决定，长度单位米采用真空中光速值定义：“米是光在真空中（1/299792458）秒的时间间隔内行程的长度”.光速c值成为此米定义中的一个约定值，因而就成为精确值，不确定度为零.2电学量计量单位与基本物理常数1、e电学量的计量单位更是与许多基本物理常数有关.早在18世纪末，库仑发现的两个定律中（静电学库仑定律和静磁学库仑定律）就由于各量单位的不同而出现了两个常数"0、#0.1948年第九届国际计量大会通过国际单位制中第四个基本量安培的定义为：“安培是恒定电流，若在真空中相距1m的两根无限长而圆截面可忽略的平行直导线内保持此电流时，则导线间单位长度上产生的力为2X10-7Nm-1”.根据电磁学理论，上述定义中所产生的力可用下式表示：F 1=#0I1I22$c，上式即毕奥-萨伐尔定律的数学表达式.式中I1和I2分别为两平行导线内的电流，1为单位长度，c为两根导线在真空中的间距，#0即真空磁导率.根据上式，其数值为一精确量，即#0=4$X10-7Hm-1=4$X10-7 NA-2［2］.20世纪80年代以来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复现长度和时间这两种基本单位，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展.两种荣获诺贝尔物理学奖的重大发现（约瑟夫森效应和量子霍耳效应）导致了约瑟夫森电压量子基准和量子化霍耳电阻基准的建立.1988年国际计量委员会建议从1990年1月1日起在全世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍耳电阻标准以代替原来的由标准电池和标准电阻维持的实物基准，并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常量（KJ=2e/ 1）及冯·克里青常量（R K=1/e2）的国际推荐值.从几年来的实践结果来看，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.新的量子电学基准的特点也是只与两个基本物理常数———普朗克常数1及基本电荷量e有关，不会因具体实现手段而发生变化.3质量单位千克［kg］的更新与基本物理常数N A，1在国际单位制中，质量的基本单位［kg］是以保存在巴黎国际计量局的千克原器定义的.各国［kg］基准的质量以平均每年约0.5#g的增长率在变大，这种变化早已超过［kg］国际比对的精度.从20世纪五十年代开始，科学家们对更新［kg］的定义进行了深入的探索与大量的研究，有望在本世纪初取得突破，得以利用基本物理常数NA ，1或原子的物理特性来建立量子化的［kg］定义［3］.07湖北民族学院学报（自然科学版）第21卷以阿伏伽德罗常数N A 定义［kg ］可利用下面的关系式：1kg =（N A ·kmoI ）u ，其中：u 为原子质量单位，它由12C 同位素的质量给出.准确地测定阿伏伽德罗常数N A 是利用单晶硅晶体.一个单晶硅晶体由它的密度!、质量m 、体积V 、克分子质量M 以及它的（带有n 个原子的）单晶胞体积V 0，可以算出阿伏伽德罗常数N A ：N A =M （Si ）V 0/n.据此可由阿伏伽德罗常数导出宏观与微观单位间的关系，就是克分子体积与原子体积之比.为此，需要进行4个量的科学测定，即：硅的原子量；硅物体的体积和密度；单晶胞的体积；单晶胞内含有的原子数目.目前国际上有4个单位从事有关的研究工作，已有初步结果.利用电功率天平将［kg ］溯源到普朗克常数h 上的研究也在进行中，这是一种机械功率与电功率比较的方法.电功率可以通过约瑟夫森效应和量子化霍耳效应测出：P =UI =k*f J 2h ，其中h 是普朗克常数，f J 是频率，k*是比例系数.机械功率可表示为P =mgv ，g 是重力加速度，v 是线圈的速度.由电功率和机械功率相等可得m =k*f 2J gvh.h 可以通过功率天平精密地测量.如果经功率天平测定的能达到所要求的精度，那么国际计量单位制将会有一个全新的改观［4］.这样更新的国际计量单位制，其计量基本单位只有时间单位秒［s ］是一个唯一的具有实际装置的基本单位量，其它的是3个基本物理常数：真空中光速c 、普朗克常数h 和电子电荷e.在这个基础上，国际计量单位制的其它单位如何导出、溯源等，需整体考虑，这将是一个较长的过程.由上所述可以看到，新一代的计量基准是基于微观物理学的规律的量子计量基准，并设法把计量单位的定义与基本物理常数相联系.由于基本物理常数是不会变化的，因此这样定义的计量单位极为稳定，不会随着时间而发生漂移，而且单位的定义也无需因具体实现手段的进步而变化.目前，国际上已集中力量于一个重要研究项目———用一个重要的基本物理常数阿伏加德罗常数N A 或h 导出质量的单位，以更新［Kg ］的定义.相信通过各国科学家的努力，此项工作一定能够取得突破性的成绩.参考文献：［1］张钟华.量子计量基准与基本物理常数［J ］.工业计量，2001（5）：4~7.［2］沈乃澄.基本物理常数最新推荐值评述［J ］.物理，2001（4）：203~209.［3］赵克功.更新计量基本单位［kg ］定义的研究现状［J ］.计量学报，2001（2）：133~141.［4］赵克功.二十世纪的度量衡———二十一世纪的量子计量学［A ］.全国计量测试学术大会文集［C ］.北京：计量学报期刊社，1998，26~34.Fundamental Physical Constants and Basic Measure UnitYANG Jian -ping（Hubei Institute for NationaIities ，Enshi 445000，China ）Abstract ：The discovery and measurment of fundamentaI physicaI constants pIay an important roIe not onIy in the deveIop-ment of physics ，but aIso in the deveIopment of metroIogics.The connection is found between the definition of measure u-nit and the fundamentaI physicaI constants.Because the fundamentaI physicaI constants can not change ，the definition of measure unit is very stabIe and can not drift with time.This paper anaIyses in detaiI the connection of Iength unit ，voIt-age unit ，resistance unit and mass unit with the fundamentaI physicaI constants.Key words ：fundamentaI physicaI constants ；measure prototype ；unit framework17第2期杨建平：基本物理常数与计量基本单位基本物理常数与计量基本单位作者：杨建平作者单位：湖北民族学院,物理系,湖北,恩施,445000刊名：湖北民族学院学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF HUBEI INSTITUTE FOR NATIONALITIES（NATURAL SCIENCES）年，卷(期)：2003,21(2)1.张钟华量子计量基准与基本物理常数[期刊论文]-工业计量 2001(05)2.沈乃澄基本物理常数最新推荐值评述[期刊论文]-物理 2001(04)3.赵克功更新计量基本单位[kg]定义的研究现状[期刊论文]-计量学报 2001(02)4.赵克功二十世纪的度量衡,二十一世纪的量子计量学[会议论文] 19981.特里·奎恩.陈华才.王兰州新国际单位制——建立基本单位的里程碑[期刊论文]-中国计量学院学报2009,20(2)2.彭双艳基本物理常数教学探讨[期刊论文]-高等函授学报（自然科学版）2009,22(4)3.岳峻峰.朱鹤年.YUE Jun-Feng.ZHU He-Nian SI基本单位的研究进展与改制动向[期刊论文]-物理2007,36(7)4.郭玲.李华.王珊基本物理常数潜科学分析的教学途径[期刊论文]-高等理科教育2007(3)5.沈乃澂近代计量学的发展[期刊论文]-中国计量2003(2)6.马丽红.李晨璞.闫常丽.Ma Lihong.Li Chenpu.Yan 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