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量子物理與量子計(jì)量基準(zhǔn)

建立高度準(zhǔn)確的計(jì)量基準(zhǔn)的需求來自兩個(gè)方面：首先是18世紀(jì)的工業(yè)革命以來，大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)零件的標(biāo)準(zhǔn)化及互換性要求的日益提高；另一方面是力學(xué)、天文學(xué)及物理學(xué)其它分支的發(fā)展，也要求高度準(zhǔn)確的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)各種精密實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)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(jì)下半葉。為了提高基本計(jì)量單位的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度，計(jì)量學(xué)家們利用了當(dāng)時(shí)技術(shù)上能實(shí)現(xiàn)的最穩(wěn)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(jì)量局的高穩(wěn)定韋斯頓飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)平均值，復(fù)現(xiàn)了電壓單位等。由于這些用于保存和復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的量具是一些具體的實(shí)物，所以也稱為實(shí)物基準(zhǔn)。

這些實(shí)物基準(zhǔn)代表了19世紀(jì)與20世紀(jì)之交的最高技術(shù)水平，實(shí)用中也確實(shí)滿足了當(dāng)時(shí)科研工作及工業(yè)生產(chǎn)的需要。但是，這些實(shí)物基準(zhǔn)的缺點(diǎn)正在于它們是一些具體的實(shí)物。由于一些不易控制的物理和化學(xué)過程，它們保存的量值會(huì)發(fā)生緩慢的變化，這顯然不能滿足20世紀(jì)對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確度日益提高的要求。

如果只從改善材料穩(wěn)定性及制作工藝的方向努力，很難大幅度提高實(shí)物基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。20世紀(jì)量子物理學(xué)的輝煌成就，為計(jì)量科學(xué)提供了飛躍發(fā)展的機(jī)會(huì)。量子物理學(xué)闡明了構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子——電子、質(zhì)子等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是基本粒子的態(tài)和能級(jí)的概念。按照量子力學(xué)，處于相同態(tài)中的粒子，其能量有相同的確定值，也就是處于同一能級(jí)上，當(dāng)粒子在不同能級(jí)之間發(fā)生量子躍遷時(shí)，將伴隨著吸收或發(fā)射相當(dāng)于能級(jí)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(shù)。也就是說，電磁波的頻率反映了能級(jí)差的數(shù)量。值得注意的是，宏觀物體中基本粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)與物體的宏觀參數(shù)，如形狀、質(zhì)量大小……等并無關(guān)系。因此，既使物體的宏觀參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生了緩慢變化，也不會(huì)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(xiàn)象復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位，就可以從原則上消除各種宏觀參數(shù)不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響，所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位不再會(huì)發(fā)生緩慢漂移，計(jì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度可以達(dá)到空前的高度。更重要的一點(diǎn)是，量子躍遷現(xiàn)象可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)用原理相同的裝置重復(fù)產(chǎn)生；而實(shí)物基準(zhǔn)則是特定的物體，一旦由于事故而毀傷，就不可能再準(zhǔn)確復(fù)制。因此用量子躍遷復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位，對(duì)于保持計(jì)量基準(zhǔn)量值的高度連續(xù)性也有重大的價(jià)值。習(xí)慣上，此類用量子躍遷現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)量值的計(jì)量基準(zhǔn)，統(tǒng)稱為量子計(jì)量基準(zhǔn)。

第一個(gè)付諸實(shí)施的量子計(jì)量基準(zhǔn)，是1960年國際計(jì)量大會(huì)通過采用的Kr86光波長度基準(zhǔn)，其原理是利用Kr86原子在兩個(gè)特定能級(jí)之間發(fā)生量子躍遷時(shí)所發(fā)射的光波的波長作為長度基準(zhǔn)。此種基準(zhǔn)不象原來的X形原器米尺實(shí)物基準(zhǔn)那樣，長度量值受環(huán)境溫度、氣壓等因素的影響，其準(zhǔn)確度比實(shí)物基準(zhǔn)高出近百倍，達(dá)到10-9量級(jí)。

第二個(gè)量子計(jì)量基準(zhǔn)，也是最著名和最成功的一種量子計(jì)量基準(zhǔn)，是1968年正式啟用的銫原子鐘。此種基準(zhǔn)用銫原子在兩個(gè)特定能級(jí)之間的量子躍遷所發(fā)射和吸收的無線電微波的高準(zhǔn)確頻率，作為頻率和時(shí)間的基準(zhǔn)，以代替原來用地球的周期運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的天文時(shí)間基準(zhǔn)。盡管地球這個(gè)實(shí)物龐大無比，但其各種宏觀參數(shù)亦在緩慢地變化，因而其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性并不算很高，僅為10-8量級(jí)。而近年來銫原子鐘的準(zhǔn)確度已達(dá)到10-14量級(jí)，比地球運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性高了五、六個(gè)數(shù)量級(jí)，幾百萬年才有可能相差一秒，充分說明了量子計(jì)量基準(zhǔn)的重大優(yōu)越性。銫原子鐘的巨大成功，在天文學(xué)、通信技術(shù)以至全球定位技術(shù)、導(dǎo)彈發(fā)射等軍事應(yīng)用方面，均得到了卓越的應(yīng)用。

量子計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性也受到一些原則性的限制。前面已談到過，量子計(jì)量基準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度源于基本粒子在能級(jí)間的量子躍遷過程的高穩(wěn)定性。當(dāng)然，這首先要求與躍遷有關(guān)的能級(jí)本身十分穩(wěn)定。如果能級(jí)的不確定性為ΔE，處于此能級(jí)上的粒子的壽命為Δt，按照海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系有

ΔE·Δt~h/2π

如果Δt越長，能級(jí)的不確定性ΔE也就越小。這就促使科學(xué)家努力尋找各種長壽命能級(jí)，以進(jìn)一步提高量子計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

例如，有人根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出，用鈣離子的長壽命能級(jí)之間的量子躍遷，可把原子鐘的準(zhǔn)確度再提高一步，達(dá)到10-15量級(jí)。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(shù)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)長壽命能級(jí)的知識(shí)不斷增加，制成了一系列極穩(wěn)定的激光器，其波長的穩(wěn)定性達(dá)到10-12量級(jí)，并于1982年替代了Kr86光波長度基準(zhǔn)而成為新的更高水平的量子長度基準(zhǔn)。與本世紀(jì)上半葉還在使用的X形原器米尺實(shí)物基準(zhǔn)相比，真是不可同日而語了。

隨著人們對(duì)各種量子躍遷的認(rèn)識(shí)不斷深入，量子計(jì)量基準(zhǔn)已不再局限于長度與時(shí)間這兩種基本單位的復(fù)現(xiàn)。80年代以來，電學(xué)的量子計(jì)量基準(zhǔn)也得到了飛速的發(fā)展，利用超導(dǎo)體中的庫柏電子對(duì)越過約瑟夫森結(jié)的勢(shì)壘時(shí)的量子躍遷，可有2eV=hv，2e為庫柏電子對(duì)的電荷，V為約瑟夫森結(jié)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(lián)系起來，得到準(zhǔn)確度與頻率基準(zhǔn)相接近的量子電壓基準(zhǔn)，目前其準(zhǔn)確度已達(dá)到10-13。另一方面，利用量子化霍爾效應(yīng)制成的量子電阻基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度亦已達(dá)到10-10量級(jí)。而傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電池和線繞電阻這類實(shí)物基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度僅為10-7量級(jí)，與量子基準(zhǔn)相比較，差距是十分明顯的。不難看出，基于量子物理學(xué)的量子計(jì)量基準(zhǔn)的建立和發(fā)展，已成為20世紀(jì)計(jì)量學(xué)的十分明顯的特色。

目前，各國的計(jì)量研究院正在努力攻克經(jīng)典計(jì)量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計(jì)量基準(zhǔn)來代替尚在使用中的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準(zhǔn)。此實(shí)物基準(zhǔn)是上一世紀(jì)制成的，當(dāng)時(shí)估計(jì)其準(zhǔn)確度為10-9量級(jí)，在19世紀(jì)的各種計(jì)量基準(zhǔn)中首屈一指?？上У氖瞧浜箨懤m(xù)發(fā)現(xiàn)了不少影響因素，會(huì)使其保存的質(zhì)量量值不斷發(fā)生變化。例如，該砝碼盡管不會(huì)氧化，但其表面仍會(huì)吸附一些肉眼無法察覺的氣體分子和其它雜物，使質(zhì)量的增加量達(dá)到十多微克（1×10-8以上）；仔細(xì)的清洗過程可以減少此種被吸附的雜物，但過一段時(shí)間又會(huì)發(fā)生類似過程。為了擺脫此種困境，亦應(yīng)用某種適當(dāng)?shù)牧孔佑?jì)量基準(zhǔn)來代替這一已明顯跟不上時(shí)代步伐的實(shí)物基準(zhǔn)。

目前，對(duì)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(zhì)量，來作為新的量子質(zhì)量基準(zhǔn)就是一種有希望的方法。其關(guān)鍵步驟是實(shí)際計(jì)數(shù)出硅晶體中原子的數(shù)目。這一方案雖經(jīng)多年探索，但準(zhǔn)確度只達(dá)到10-8量級(jí)，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(dǎo)出量子電功率基準(zhǔn)，再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值。從原則上說也算是一種量子質(zhì)量基準(zhǔn)，盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙，但稍嫌復(fù)雜，目前的準(zhǔn)確也只能達(dá)到10-8量級(jí)。國際計(jì)量局已明確號(hào)召各國的計(jì)量科學(xué)家，用各種各樣的方案來攻克量子質(zhì)量基準(zhǔn)這一難關(guān)，但看起來要到21世紀(jì)才有可能見到實(shí)用價(jià)值的成果。

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