中國計量科學研究院  張鍾華（huá）

    建立高度準確的計量基準的需求來自兩個方麵:首先是18世紀的工業革命以來（lái），大規（guī）模生產的發（fā）展對零件（jiàn）的標準化及互換性要求的日益（yì）提高；另一方麵是力（lì）學、天文學及物（wù）理學其它分支的發展（zhǎn），也要求高度準確的計（jì）量標準以適（shì）應各種（zhǒng）精密實驗及觀測的要求。目前國際上普遍采用的國際單位製SI，起源於19世紀下半葉。為了提高基本計（jì）量單（dān）位的複現準確度，計量學家們利用（yòng）了當時技術上能實現的最穩定的材（cái）料——鉑銥合金，製成（chéng）了X形米尺原器和千克砝（fǎ）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（diàn）池的電動（dòng）勢平均（jun1）值（zhí），複現了電壓單位等。由於這些用於保存和複現（xiàn）計量單位的量具是一些具體的實物，所以也稱為實物基（jī）準。
    這些實物基準代表了19世紀與20世紀之交的最高技（jì）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於它（tā）們是一（yī）些具體的實物。由於一些不易控製的物理和化學過程，它們保存（cún）的量值會發生緩（huǎn）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。
    如果隻從改善材料穩（wěn）定性（xìng）及製作工藝的方向努力，很難大幅度（dù）提高實（shí）物基準的準（zhǔn）確度。20世紀量子物理（lǐ）學的輝煌成就，為計量科學提供（gòng）了飛躍發展的機會。量子物理學闡明了構成物質的基本（běn）粒子——電子、質子等（děng）的（de）運動規律，特別是基本粒子的態（tài）和能級的（de）概念。按照量子（zǐ）力學，處於相同態中（zhōng）的粒子（zǐ），其（qí）能量有相同的確定值，也就是處於同一能級上，當粒子在不（bú）同能級之間發（fā）生量子躍（yuè）遷時，將伴隨著吸收或發射相當於能級差Δε電磁波能量子，而且電磁（cí）波頻率ν與Δε之間滿（mǎn）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（le）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（zhì）量大（dà）小……等（děng）並無關係。因此，既使物體的宏觀參數隨時間發（fā）生了緩慢變（biàn）化，也不會影響物體中（zhōng）基本（běn）粒子（zǐ）的量子躍遷過程。
    這樣，如果利用量子躍遷現象複現計量單位，就可以從原則上消除各種宏（hóng）觀參數不穩定產生的影響，所複現的計（jì）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（dá）到空前的高度（dù）。更重要（yào）的一點是，量子躍遷現（xiàn）象可以在任何時間、任何地點用原理相同的裝置重複產生；而實物基準則是特定的物體，一旦由於事（shì）故而毀（huǐ）傷，就不可能再準確複製。因此用量子躍遷（qiān）複現計量單位，對於保持計量（liàng）基準量值的高度連（lián）續性也有重大的價（jià）值。習慣（guàn）上，此類用量子躍遷現象（xiàng）複現量值的計量基準，統稱（chēng）為量子計量基準。
    第一個付諸實施的量子（zǐ）計量基準，是1960年國際計量大會通（tōng）過采用（yòng）的K_r⁸⁶光波長度基準，其原理是利用K_r⁸⁶原子在兩（liǎng）個特定能級之（zhī）間發生量子躍遷時所發射的光（guāng）波的波長作為長度基準。此種基（jī）準不象原來的X形原器米尺實物基準那樣，長度量值受（shòu）環（huán）境溫度、氣壓等因素的（de）影響，其準確度比（bǐ）實物基準高出近百倍，達到10^-9量級（jí）。
    第二個量（liàng）子（zǐ）計量基（jī）準，也（yě）是最（zuì）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鍾。此種基準用（yòng）銫原（yuán）子在（zài）兩個特（tè）定能級之間的量子躍遷所發射和吸收的無線電微波（bō）的高準確頻率，作為（wéi）頻率和時（shí）間的（de）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（guǎn）地（dì）球這個（gè）實物龐大無（wú）比，但（dàn）其各（gè）種宏觀參數亦在緩（huǎn）慢地變化，因（yīn）而其（qí）運動的（de）穩定性並不（bú）算很（hěn）高，僅為10^-8量級。而近年來（lái）銫原子鍾的準確度已達到10^-14量級，比地球運（yùn）動（dòng）的穩定性高了五、六個（gè）數（shù）量級，幾百萬年才有可能（néng）相差（chà）一秒（miǎo），充分說（shuō）明了量子計（jì）量（liàng）基準的重（chóng）大優越性（xìng）。銫原子鍾（zhōng）的巨（jù）大成功，在天文學（xué）、通信（xìn）技術以至（zhì）全球定位技術、導彈發射（shè）等軍事應用方麵，均得到了卓越的應用。
    量子計量基準的（de）準確性也受到一些原則性（xìng）的限製。前麵已談到過，量子（zǐ）計量基準的高（gāo）準確（què）度源於基本粒子在能級間的（de）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，處於此能級上的（de）粒子的壽命為（wéi）Δt，按照海森伯測不準關係有
    ΔE·Δt～h/2π
    如（rú）果Δt越（yuè）長（zhǎng），能級的不確定（dìng）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（jì）量（liàng）基準的準確度。
    例如，有人根（gēn）據實驗數據提出，用鈣離子（zǐ）的長壽命能級之間的量子躍遷，可把原子鍾（zhōng）的準確度再（zài）提高一步（bù），達到10^-15量（liàng）級。一（yī）些其它（tā）更有前途的方案，也正在孕育之中。近年來由於（yú）激光技術的飛速發展，使人們（men）對長壽命（mìng）能級（jí）的知識（shí）不斷增加，製成了一係列極穩定的（de）激光器，其波長的（de）穩（wěn）定性達到（dào）10^-12量級，並於1982年替代了K_r⁸⁶光波長度基準而成為新的更高水平的量子長度（dù）基準。與本世紀上半葉還在使用的X形（xíng）原器米尺實物基準相比，真是不可（kě）同日而語了。
    隨著人們對各種（zhǒng）量子躍遷的認識不斷深入，量（liàng）子計量基準已不再局（jú）限於長度與時間這兩種基本單位的複（fù）現。80年代以來，電（diàn）學的量子計量（liàng）基準也得到了飛（fēi）速的發展，利（lì）用超導體中的庫柏電子（zǐ）對越（yuè）過約瑟夫森結的勢壘（lěi）時的量子躍遷，可有2eV=hv，2e為庫柏電子對的電荷，V為約瑟（sè）夫森結兩邊的電壓。利用此種（zhǒng）量子躍遷，可把電壓與（yǔ）微波幅射頻（pín）率（lǜ）聯係起來，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。另一方麵，利用量子化霍爾效應製成的量子電阻基準，準確度亦已（yǐ）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（jǐn）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，基於量子物理學的量子計量基準的建立和發展（zhǎn），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（zài）努力攻克經（jīng）典計量學中的頑固堡壘——用某種量（liàng）子計量基（jī）準來代替尚在（zài）使用中的鉑銥合（hé）金千克砝碼（mǎ）實物基準。此（cǐ）實物基準是（shì）上一世紀製成的（de），當時估計其準確度（dù）為10^-9量級，在19世紀的（de）各種計量基準中首屈一指。可惜的是其後陸續（xù）發現了不少影響因素，會使其保（bǎo）存的質量量值不斷發（fā）生變化。例如，該砝碼盡管（guǎn）不會氧化，但其表麵仍會吸附一些肉眼無法察覺的氣（qì）體分子和其它雜物，使質量的增加量達（dá）到十（shí）多微克(1×10^-8以上)；仔細（xì）的（de）清洗（xǐ）過程可以減少此種被吸附的雜物，但過一段時（shí）間（jiān）又會發生類似過程。為了擺脫此種（zhǒng）困境，亦應用某（mǒu）種適（shì）當的量子計量基（jī）準（zhǔn）來代替這一已明顯跟不上時代步伐的（de）實物基準。
    目前，對這一十分迫切的課（kè）題已提出了若幹解決方案。例如（rú），用高度提純的矽晶體中的矽（guī）原（yuán）子質量，來作為（wéi）新的量子質量基（jī）準就是一（yī）種（zhǒng）有希望的方法。其關鍵步驟（zhòu）是實際計數出矽晶體中原子的數目。這一方案雖經（jīng）多年探索，但準確度隻達（dá）到10^-8量級，尚未能直接取代鉑銥合金砝（fǎ）碼。還有一種（zhǒng）辦法是，利用約（yuē）瑟夫（fū）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（shàng）說也算是（shì）一種量子質量基準，盡管這種方案構思十分巧妙，但稍嫌複雜，目前的準確也隻（zhī）能達（dá）到10^-8量級。國（guó）際計量局已（yǐ）明確號召各國（guó）的（de）計量科學家，用（yòng）各種各樣的方案來攻克量子質量基準（zhǔn）這一難（nán）關，但看起（qǐ）來要到21世紀才有可能見到實用價（jià）值的成果。