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主题：【原创】量子基准代替实物基准传递的意义

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吉普丽儿

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发表于：2010/01/28 13:49:53 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

人们为了把客观世界的特性用数量表达，就需要进行测量。测量过程实质上是一种比较的过程。例如，我们用步长去测量某一段距离，就是用自己的跨步去与此段距离作比较，确定此段距离是步长的多少倍。当然此例中的测量过程比较粗糙，步长也因人而异，所以测量准确度不高。随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要有统一的几何量标准。贸易活动的日益扩大也提出了建立统一的质量（mass）标准的要求。一旦这些标准建立了起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果可以相互比较。也就是说，测量过程可以溯源到统一的标准。这种可以溯源到统一标准的测量就称为计量，而统一的标准就是计量标准。
计量标准一般先在一个国家的范围取得统一，以促进该国的生产和贸易的发展。秦始皇首次统一中国的计量标准（统一度量衡）是历史上我国对计量事业的重要贡献。18世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制--米制，确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。经过一百多年，此种单位制已发展成为目前国际上一致公认的国际单位制SI。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔7个基本单位，其他各种单位则由这7个基本单位导出。由于7个基本单位的重要性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准--计量基准。

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19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准。这些计量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，故称为实物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱--千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按X型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米，用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特，用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位等等。
计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能轻易使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市（县）等各级计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级--省级--市、县级--企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。
19世纪以来，各国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做出了贡献。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已不能满足现代工业和科学技术对计量准确度日益提高的要求。由于量值传递系统溯源的是实物基准，而实物基准的缺点正是在于它们是一些具体的宏观实物。由于一些不易控制的物理和化学过程的影响，实物基准所保存的量值会发生缓慢的变化，如果只从改善材料稳定性和制作工艺的方向努力，已很难大幅度提高实物基准的准确度。

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2010/1/28 13:50:41 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

随着20世纪量子物理学的飞速发展，建立量子基准以代替传统的实物基准已经成为可能，并在初步的尝试中得到了精确度较高的计量基准。量子物理学阐明了各种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，也就是光子。而且电磁波频率与E之间满足普朗克公式, 即两者之间成正比，其比例系数为普朗克常数h 。也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量。值得注意的是，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，如果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会发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，不像实物基准是特定的物体，一旦由于事故而毁伤，就不可能再准确复制。因此用量子跃迁复现计量单位对于保持计量基准量值的高度连续性具有重大的价值。

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