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基本物理常数的重要作用

发布时间:2015-08-13 00:00 作者:中国计量网 阅读量:1202

为什么要把基本物理常数测得这么准呢?我们认为主要基于以下四个方面的考虑:

1.准确地测量基本物理常数,从常数组方面来说是为了基本物理常数数值之间彼此能够自洽。我们在前面提到常数值之间的自洽性,实质上,只有高准确度的基本物理常数之间才能保持自洽。

2.准确的基本物理常数值对验证物理学定律起着决定性的作用。例如,在近代物理中,爱因斯坦于1905年提出相对论质能关系式:

E=mc2

式中:E——能量;m——质量;c——光速。

这个关系式是否成立,在当时没有人能从实验上加以证明。只有在铀核裂变被发现以后,并能准确地测定光速c、质量m和射线能量时,才能通过热核反应对其进行验证。

3.准确的基本物理常数值具有科学价值和工程技术上的应用价值。我们知道在天体物理学的计算中,在有关的实验数据处理中,在天文和大地测量的计算中,在诸如嫦娥奔月的卫星轨道的计算中都离不开准确的基本物理常数值。

4.由于目前频率测量的准确度最高,我国“飞秒(10-15s)激光光学频率梳的研究”通过专家鉴定表明,世界已进入飞秒时代,并正向阿秒(10-18s)进军。计量基准发展的一个趋势是:在频率准确测量的基础上,通过一些基本物理常数来定义计量基本单位,建立起基于频率测量的一套单位制和基准。第一个实现这一目标的是长度单位“米”,它是通过固定光速常数值的办法,来给实用的基本单位重新定义。

我们认为,用基本物理常数来定义计量基本单位的前提条件是要有准确的基本物理常数值。

下面,用我们的光速测量的进程来说明基本物理常数的准确测量与计量基本单位及其定义之间的关系。

1676年,勒麦首开基本物理常数测量的先河。他通过天文观测计算得出光速c=215000km/s,不确定度仅为10-2量级,这个光速值在当时未被人们普遍接受。

1849年,斐索用转动齿轮法在地面实验室第一次测得光速c=(315300±500)km/s,不确定度为1.6×10-3。

按计量学的要求,要准确测量一个物理量必须考虑到溯源关系,即与计量基准的联系及计量基准本身的准确度。

1889年,第一届国际计量大会正式批准米和千克国际原器为长度、质量单位,同时以天文秒为时间单位,构成了与CGS制相对应的三量纲力学米·千克·秒制(MKS制)。从此基本物理常数的测量就有了坚实的计量基础。这个米原器是一个实物基准,复现不确定度为10-7量级。

迈克尔逊以毕生精力从事光速的精密测量,他改进了傅科的旋转镜法。直到1926年,他发表了他的最后实验结果,光速c=(299798±4)km/s,不确定度为1.3×10-5。同傅科1862年的结果相比,准确度提高了100倍以上。

在较长的历史时期内科学家还用克尔盒法、雷达法等经典计量学测量方法继续进行光速的测量,直到1958年测得光速c=2.997925(10)×108m/s,不确定度为3.3×10-7。这是经典计量可能测得的最好结果。值得一提的是,这个不确定度与米原器的复现不确定度是一致的,这是十分难能可贵的。

1960年,第十一届国际计量大会通过采用86Kr光波长度基准。这是一种崭新的量子基准,其复现不确定度为±4×10-9,比原来的米原器的复现准确度提高了近两个数量级,这是准确测量光速的计量学基础。

同在1960年,美国研制成功第一台红宝石激光器。激光技术作为一项新技术进入计量领域。1973年美国国家标准技术研究院(NIST)在准确测定激光频率和波长的基础上,得出光速c=299792458m/s,不确定度为4×10-9。物理学家和计量学家把这项成就认为是计量领域内的“惊人的突破”。这充分说明量子计量学的出现和新的量子基准的启用,加上新的激光技术和测频技术,使基本物理常数的准确测量成为可能。从此进入了基本物理常数的量子计量学精确测量的新阶段。1998年的平差值表就是在这种背景下出台的。

1906年,普朗克最早提出用基本物理常数来定义计量基本单位的设想。为了纪念他,将3个普适基本物理常数命名为普朗克质量mp、普朗克长度lp、普朗克时间tp,连同普朗克常数h,总共4个基本物理常数的命名与普朗克有关。可见这位量子计量的开拓者影响之深远。

光频测量的成就和光速准确值的测定为重新定义米打开了新的局面。最初的打算是用某种稳定激光的波长来取代氪86谱线,作为新的米定义。通过反复比较,人们发现,如要用基本物理常数c重新定义米,会有更大的优点。因为λ=c/v,v是目前测量准确度最高的物理量,同时光频测量的准确度也可以进一步提高,只要把光速c固定下来,由此而得的波长值也可以进一步提高。

1975年第十五届国际计量大会认为:除非新的实验揭示出某些不一致,将来的光速值应该保持不变。

1983年第十七届国际计量大会正式通过了用光速常数c定义米的决议。新的米定义把c值固定为c=299792458m/s。这样,具有300多年测量史的c常数从此成为一个不再具有不确定度的精确值。

具有甲烷吸收室的3390nm稳频氦氖激光和具有碘吸收室的630nm稳频激光为新米定义的复现国际上所推荐的两条主要辐射,相对不确定度最小(±2×10-10)。因此,新的米定义比86Kr基准的复现不确定度提高了10多倍。随着实验技术的提高,米单位的复现准确度可以提高而无需改动米的定义。

新米定义既是一种自然基准,又是一种采用基本物理常数定义的量子基准。这是人类历史上第一次通过固定基本物理常数的办法,来给实用的计量基本单位所下的定义,也就是说这是第一次不依赖于人工器具,也不依赖于特定的自然物或自然过程,而使用普适的基本物理常数来作为计量单位的基础。

1988年,国际计量委员会建议从1990年1月1日起在世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准,并给出这两种新标准中可涉及的两个约定的基本物理常数值:

KJ=2e/h=483597.9GHz/V(不确定度为4×10-7)

Rk=h/e2=25812.807Ω(不确定度为2×10-7)

KJ和Rk的约定值KJ-90和RK-90作为精确值使用。采用新方法后,电压单位和电阻单位的稳定性和复现准确度提高了两到三个数量级。

从KJ和Rk的表达式可以看出,其等效于用普朗克常数h和基本电荷e这两个基本物理常数结合频率标准导出电压单位和电阻单位。

2005年,国际计量委员会作出一项重要建议,准备用基本物理常数重新定义SI基本单位。该建议具体是指用普朗克常量h重新定义质量单位,用基本电荷e重新定义电学单位,用阿伏伽德罗常数NA重新定义物质量单位,用波尔兹曼常数k重新定义温度单位,其办法同样是把所用基本物理常数固定下来,视为精确值(即不确定度为0)。

这样,在重新定义SI基本单位的运作中,基本物理常数确实起着重要作用。

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