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量子物理與量子計量基準

建立高度準確的計量基準的需求來自兩個方面：首先是18世紀的工業革命以來，大規模生產的發展對零件的標準化及互換性要求的日益提高；另一方面是力學、天文學及物理學其它分支的發展，也要求高度準確的計量標準以適應各種精密實驗及觀測的要求。目前國際上普遍采用的國際單位制SI，起源于19世紀下半葉。為了提高基本計量單位的復現準確度，計量學家們利用了當時技術上能實現的最穩定的材料——鉑銥合金，制成了X形米尺原器和千克砝碼原器，用一組保存在國際計量局的高穩定韋斯頓飽和標準電池的電動勢平均值，復現了電壓單位等。由于這些用于保存和復現計量單位的量具是一些具體的實物，所以也稱為實物基準。

這些實物基準代表了19世紀與20世紀之交的最高技術水平，實用中也確實滿足了當時科研工作及工業生產的需要。但是，這些實物基準的缺點正在于它們是一些具體的實物。由于一些不易控制的物理和化學過程，它們保存的量值會發生緩慢的變化，這顯然不能滿足20世紀對計量準確度日益提高的要求。

如果只從改善材料穩定性及制作工藝的方向努力，很難大幅度提高實物基準的準確度。20世紀量子物理學的輝煌成就，為計量科學提供了飛躍發展的機會。量子物理學闡明了構成物質的基本粒子——電子、質子等的運動規律，特別是基本粒子的態和能級的概念。按照量子力學，處于相同態中的粒子，其能量有相同的確定值，也就是處于同一能級上，當粒子在不同能級之間發生量子躍遷時，將伴隨著吸收或發射相當于能級差Δε電磁波能量子，而且電磁波頻率ν與Δε之間滿足普朗克公式Δε=hν，其中的h為普朗克常數。也就是說，電磁波的頻率反映了能級差的數量。值得注意的是，宏觀物體中基本粒子的能級結構與物體的宏觀參數，如形狀、質量大小……等并無關系。因此，既使物體的宏觀參數隨時間發生了緩慢變化，也不會影響物體中基本粒子的量子躍遷過程。

這樣，如果利用量子躍遷現象復現計量單位，就可以從原則上消除各種宏觀參數不穩定產生的影響，所復現的計量單位不再會發生緩慢漂移，計量基準的穩定性和準確度可以達到空前的高度。更重要的一點是，量子躍遷現象可以在任何時間、任何地點用原理相同的裝置重復產生；而實物基準則是特定的物體，一旦由于事故而毀傷，就不可能再準確復制。因此用量子躍遷復現計量單位，對于保持計量基準量值的高度連續性也有重大的價值。習慣上，此類用量子躍遷現象復現量值的計量基準，統稱為量子計量基準。

第一個付諸實施的量子計量基準，是1960年國際計量大會通過采用的Kr86光波長度基準，其原理是利用Kr86原子在兩個特定能級之間發生量子躍遷時所發射的光波的波長作為長度基準。此種基準不象原來的X形原器米尺實物基準那樣，長度量值受環境溫度、氣壓等因素的影響，其準確度比實物基準高出近百倍，達到10-9量級。

第二個量子計量基準，也是最著名和最成功的一種量子計量基準，是1968年正式啟用的銫原子鐘。此種基準用銫原子在兩個特定能級之間的量子躍遷所發射和吸收的無線電微波的高準確頻率，作為頻率和時間的基準，以代替原來用地球的周期運動導出的天文時間基準。盡管地球這個實物龐大無比，但其各種宏觀參數亦在緩慢地變化，因而其運動的穩定性并不算很高，僅為10-8量級。而近年來銫原子鐘的準確度已達到10-14量級，比地球運動的穩定性高了五、六個數量級，幾百萬年才有可能相差一秒，充分說明了量子計量基準的重大優越性。銫原子鐘的巨大成功，在天文學、通信技術以至全球定位技術、導彈發射等軍事應用方面，均得到了卓越的應用。

量子計量基準的準確性也受到一些原則性的限制。前面已談到過，量子計量基準的高準確度源于基本粒子在能級間的量子躍遷過程的高穩定性。當然，這首先要求與躍遷有關的能級本身十分穩定。如果能級的不確定性為ΔE，處于此能級上的粒子的壽命為Δt，按照海森伯測不準關系有

ΔE·Δt~h/2π

如果Δt越長，能級的不確定性ΔE也就越小。這就促使科學家努力尋找各種長壽命能級，以進一步提高量子計量基準的準確度。

例如，有人根據實驗數據提出，用鈣離子的長壽命能級之間的量子躍遷，可把原子鐘的準確度再提高一步，達到10-15量級。一些其它更有前途的方案，也正在孕育之中。近年來由于激光技術的飛速發展，使人們對長壽命能級的知識不斷增加，制成了一系列極穩定的激光器，其波長的穩定性達到10-12量級，并于1982年替代了Kr86光波長度基準而成為新的更高水平的量子長度基準。與本世紀上半葉還在使用的X形原器米尺實物基準相比，真是不可同日而語了。

隨著人們對各種量子躍遷的認識不斷深入，量子計量基準已不再局限于長度與時間這兩種基本單位的復現。80年代以來，電學的量子計量基準也得到了飛速的發展，利用超導體中的庫柏電子對越過約瑟夫森結的勢壘時的量子躍遷，可有2eV=hv，2e為庫柏電子對的電荷，V為約瑟夫森結兩邊的電壓。利用此種量子躍遷，可把電壓與微波幅射頻率聯系起來，得到準確度與頻率基準相接近的量子電壓基準，目前其準確度已達到10-13。另一方面，利用量子化霍爾效應制成的量子電阻基準，準確度亦已達到10-10量級。而傳統的標準電池和線繞電阻這類實物基準的準確度僅為10-7量級，與量子基準相比較，差距是十分明顯的。不難看出，基于量子物理學的量子計量基準的建立和發展，已成為20世紀計量學的十分明顯的特色。

目前，各國的計量研究院正在努力攻克經典計量學中的頑固堡壘——用某種量子計量基準來代替尚在使用中的鉑銥合金千克砝碼實物基準。此實物基準是上一世紀制成的，當時估計其準確度為10-9量級，在19世紀的各種計量基準中首屈一指。可惜的是其后陸續發現了不少影響因素，會使其保存的質量量值不斷發生變化。例如，該砝碼盡管不會氧化，但其表面仍會吸附一些肉眼無法察覺的氣體分子和其它雜物，使質量的增加量達到十多微克（1×10-8以上）；仔細的清洗過程可以減少此種被吸附的雜物，但過一段時間又會發生類似過程。為了擺脫此種困境，亦應用某種適當的量子計量基準來代替這一已明顯跟不上時代步伐的實物基準。

目前，對這一十分迫切的課題已提出了若干解決方案。例如，用高度提純的硅晶體中的硅原子質量，來作為新的量子質量基準就是一種有希望的方法。其關鍵步驟是實際計數出硅晶體中原子的數目。這一方案雖經多年探索，但準確度只達到10-8量級，尚未能直接取代鉑銥合金砝碼。還有一種辦法是，利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導出量子電功率基準，再經過速度及重力導出質量量值。從原則上說也算是一種量子質量基準，盡管這種方案構思十分巧妙，但稍嫌復雜，目前的準確也只能達到10-8量級。國際計量局已明確號召各國的計量科學家，用各種各樣的方案來攻克量子質量基準這一難關，但看起來要到21世紀才有可能見到實用價值的成果。

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