由宏观到微观

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第694页（4057字）

这主要是指由宏观实物计量基准、标准向微观量子计量基准、标准的过渡，从而使计量的精度大幅度提高，以适应日益增长的实际需求。这是提高计量测试水平的基础，是一个根本性的发展趋势，各国都相当重视。

宏观实物计量基准、标准，由于经典理论和传统技术的限制，计量精度难以进一步显着提高。另外，随着时间的推移，由于物理、化学以及使用中的磨损等情，难免发生变化，也就是说，所能达到的计量精度亦难以保持。

根据量子理论，微观世界的量，只能是跃进式的改变，而不能发生任意微小的变化，即所谓的“稳定性”；另外，同一类原子、分子，无论何时何地都是严格一致的，即所谓的“齐一性”。所以，利用这种稳定性和齐一性建立起来的量子计量基准、标准，比宏观实物计量基准、标准要优越得多。

从50年代开始，一些比较发达的国家便将研究、建立量子计量基准、标准列为重要的议事日程。到60年代，已取得了明显的进展，先后实现了长度单位米和时间单位秒的量子计量基准。70年代和80年代，又相继完成了电压单位伏特和电阻单位欧姆的量子计量基准。

各国计量学家不断致力于三个方面的研究工作：

1．完善、改进和提高已建量子计量基准

(1)长度单位米基准

由氪－86原子跃迁辐射波长发展到稳频激光波长，使米的复现精度由10^－9～10^－10提高到10^－10～10^－11甚至10^－12量级。

(2)时间(频率)铯束基准

传统的磁选态铯束基准，是目前唯一能够常年运转的时间频率基准。德国物理技术研究院(PTB)建立的铯束时频基准，一直处于相当高的水平。他们近年研制的二台立式大铯钟，也已相继投入运行，并达到了(1～2)×10^－14的精度。

近年，美、法、日等国在光抽运铯原子钟的研究方面，取得了明显的进展。1993年，美国研制的光抽运铯原子钟NIST－7已取代了磁选态的NIST－6(原NBS－6)，正式启用为国家时频基准，当时精度为4×10^－14，现已达到(1～2)×10^－14。

最近，法国研制的冷铯原子喷泉装置，获得了突破性进展，其精度已达3×10^－15，引起了各国的普遍关注。

另外，关于离子阱频标的研究也取得了可喜的进展，一旦实现，可望将秒的复现精度提高到10^－16量级甚至更高。

(3)约瑟夫森电压基准

由于串联的约瑟夫森超导结阵研制的进展，复现的电压已由数10mV提高到1V，进而又提高到10V，使电压单位伏特的复现精度达10^－8～10^－9量级。

1991年国际计量局研制了一套可搬运的约瑟夫森电压基准装置，以便与同类装置进行直接对比。实验表明，直接比对的精度可达10^－10量级，而用标准电池或齐纳标准作为过渡标准(比对标准)进行的间接比对的精度仅为10^－8～10^－9量级。

另外，利用约瑟夫森结阵作为高精度(可达10^－8～10^－9)的D／A(数／模)变换器，进而研制交流的约瑟夫森电压标准的设想已开始具体探索。如能实现，其精度可比目前通过ac／dc转换器实现的交流电压标准的精度高二个数量级。

(4)量子化霍尔(克里青效应)电阻基准

自80年代后期正式确立以来，由于量子化霍尔电阻样品的改进，复现电阻的精度在不断提高，目前已由10^－8提高到10^－9量级；传递手段亦在不断改进，特别是超导电流比较仪的研制成功和实际应用，使传递到1Ω常规标准电阻的精度已进入10^－9量级。

需要说明是，国际计量大会推荐的约瑟夫森常数K_J－90=483597．9GHz／V和克里青常数R_K－90=25812．807Ω的不确定度分别为4×10^－7和2×10^－7(1σ)。也就是说，上述约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准所复现的电压伏特和电阻欧姆的精度，都是相对精度。

2．研究新的量子计量基准

(1)质量基准

质量千克(kg)基准原器，是国际单位制7个基本单位中唯一尚存的实物基准。多年来，人们一直在探求取代它的途径。比如，用分子或原子的质量倍数来定义质量单位，通过理想晶体精确测定阿伏加德罗常数来建立质量基准等，虽有一定进展，但距实际应用尚相当遥远。

近年，美、英等国用电功率天平法复现质量千克的研究，取得了较为明显的进展。目前，用该法复现质量单位的最佳不确定度为1．2×10^－7，而平均值的标准差则可小于2×10^－8。

电功率天平法复现质量单位的精度，虽有达到10^－9量级的前景，但在精度的提高中将会受到重力加速度g值测量精度的影响。

应当指出，严格地说，该法所确定的质量还不能说是量子质量基准，而只是在导出电功率过程中利用约瑟夫森效应和量子化霍尔效应所确定的基本电荷e和普朗克常数h的值。

(2)电流基准

利用核磁共振监测和复现电流单位安培的研究已进行了多年，虽有所进展，但由于具体方案的限制，精度难以明显提高，效果尚不理想。

近年来，由于超小型隧道结量子器件的研制成功，使得利用单电子隧道效应(即通过数电子)来实现电流的量子计量基准的研究成为可能并不断取得进展。目前，美国标准技术研究院(NIST)采用5个超小型隧道结组成的电荷泵，传送电子的误差约为5×10^－7，并有进一步降低的前景。不过，现在获得的电流太小，仅为数10pA，作为电流基准还相差甚远。

3．物理常数的精密测定

精密测定物理常数，一直是计量学家所关注的重要课题。

近年来，世界上一些条件较好的研究单位开展测试较多并取得一定进展的物理常数有里德伯常数R_∞、阿伏加德罗常数N_A、万有引力常数G、精细结构常数α、重力加速度g、质子回旋磁比γ_p、基本电荷e和普朗克常数h等。

物理常数值的国际平差，一般约10年进行一次。上次平差是1985年进行的，现国际计量局(BIPM)和国际科技数据委员会(CODATA)基本常数工作组正在进行基本物理常数新的平差。

在研究量子计量基准、标准或进行精密测试的工作中，有二个比较明显的动向：

1．充分利用物理常数

物理常数是在一定条件下固定不变的物理量，利用其公认的约定值便可获得相对统一的测量结果。

2．尽可能与时间频率联系起来

时间频率的测量精度是当前所有可测的量中最高的，已达10^－13～10^－14量级。相比之下，在许多量的测量中，由时频测量引入的误差往往可以忽略不计，故可获得较高的精度。实际上，约瑟夫森效应电压基准，就可以说是一个电压－频率转换器。

另外，在物理常数精密测定的基础上，通过基本电荷e、普朗克常数h、光速c以及时间单位秒(s)等，建立新的计量单位体系的探索，亦是一个值得关注的课题。

【参考文献】：

［1］国际计量局编(中国计量科学研究院情报室译)，国际计量局100周年，技术标准出版社，1980。

［2］王立吉，计量学基础，中国计量出版社，1988。

［3］王立吉，计量测试的现状与发展趋势，中国计量测试学会会讯，第5期，1990。

［4］王立吉等，计量质量保证方案，中国计量出版社，1992。

［5］王立吉，现代计量测试发展动态，现代计量测试，第1卷，第1期，1993。

［6］Wang Liji，Challenge and Opportunity of 1990s：Metrological S & T Management in China，ICTM，USA，1993。

［7］王立吉，在线测量及其进展，现代计量测试，第3卷，第1期，1995。