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NSR专访李天初院士:新的国际单位制与精密测量

已有 1083 次阅读 2021-1-4 17:18 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流

■  撰文:王谨

(中国科学院武汉物理与数学研究所研究员)


2018年11月13日至16日,第二十六届国际计量大会(CGPM)在巴黎举行。会议通过了关于“修订国际单位制(SI)”的决议A。根据决议A,国际单位制的四个基本单位,即千克、安培、开尔文和摩尔,分别由普朗克常数h,基本电荷常数e,玻尔兹曼常数k和阿伏加德罗常数NA定义。这样,就基于一系列常数在SI中建立了基本量和单位。新的国际单位制已于2019年5月20日正式启动。这是自1875年5月20日《米制公约》签署以来计量学史上最重大的变化和里程碑。李天初研究员是中国工程院院士,他在长达37年的时间里一直致力于时间和频率标准相关的研究。在这次NSR访谈中,李天初回顾了秒和米的量子化和常数化演变,并介绍了安培、开尔文、千克和摩尔的重新定义及其对精密测量的意义。


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李天初,中国计量科学研究院研究员时间准方面的著名科家(王谨提供)


一、基本计量单位的量子化

NSR: 什么是计量?

李天初:为了说明什么是计量,计量为什么重要,我首先举一个实例。2012年,Nature News报道了一个中微子超光速传播的实验结果,并引起了比较大的轰动。一束中微子从位于瑞士的欧洲核子中心(CERN)传播到位于意大利的格兰萨索国家实验室(LNGS),中微子经过了730公里的路途,所用的时间比光速快了60纳秒。但一个月之后,人们就发现这个实验结果是由时间测量错误造成的。这说明测量在科学实验里扮演着非常重要的角色。对某个物理量的计量必须保证在不同地点、不同时间、用不同方法测量得到的量值是准确一致的。如果不一致,会颠覆整个物理学的基础。
计量学起源于贸易往来,是在大工业时期大规模生产的可互换需求中形成的,并 在科研和国防工业中得到发展。现代计量学始于《米制公约》。在法国大革命统一米制和英国产业革命的基础上,17个国家于1875年5月20日(国际计量日)签订了《米制公约》,中国也于1976年加入米制公约组织。米制公约组织的最高机构是国际计量大会(CGPM);第二级机构是国际计量委员会(CIPM),CIPM是做技术的;第三级机构是国际计量局(BIPM),BIPM是常设巴黎的技术机构,负责协调和保存基标准的量值和溯源的比对;BIPM下面是各个国家的计量院,世界上大多数国家都有自己独立的计量院。
计量就是关于测量的科学,但是这种测量是溯源到基准的。如果大家都溯源到公认的基准,就可以保证测量和计量体系是统一的。现在,世界各国都使用一个共同的计量基准。从这些基准出发,通过一条不间断的溯源链,可让终端用户的测量溯源回到基标准。另外,BIPM还要开展一系列的比对工作,来保证每个溯源链和基准工作的正常运作。绝大多数国家都参加了米制公约组织,米制公约组织的最大贡献就是建立了统一的国际单位制(SI)。


NSR: 国际单位制中有哪些基本单位?

李天初:国际单位制中的基本单位主要是物理学单位。SI始于1795年,经过不断地增加、完善、成型,到1971年形成了7个基本单位,其它的所有物理量都可以从这7个基本单位推导出来。7个基本单位是时间单位秒(s)、长度单位米(m)、质量单位千克(kg)、电流单位安培(A)、温度单位开尔文(K)、物质的量单位摩尔(mol)和发光强度单位坎德拉(cd)。其中,物质的量是半物理半化学的单位,发光强度有点特殊性,要依赖人眼视觉系数。我今天主要谈论前六个单位的常数化定义。


NSR: 基本单位量子化的想法始于何时?

李天初:基本单位量子化的最早的推动人应该是普朗克和麦克斯韦。普朗克曾经说“……借助基本常数,我们可能实现长度、时间、质量和温度的单位,这些单位横贯宇宙, 持续永恒,适于所有的文明….”。


NSR: 这次国际单位制的改革是什么?

李天初:在计量发展的初期阶段,7个基本单位的定义都依赖实物基准,比如长度单位米定义为铂铱合金米原器上两条刻线之间的距离,质量单位千克定义为铂铱合金千克原器(30几毫米长30几毫米直径的圆柱体)的质量。二十世纪中叶以后,随着量子物理的发展和成熟,基本单位的定义由实物基准过渡到量子基准成为新的发展趋势。现在时间和长度都已经实现了量子化,并且实现了基于常数的重新定义。第26届国际计量大会的主要成果是把千克、安培、开尔文和摩尔四个单位用常数重新定义了。


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李天初 (右三) 与中国代表在第26届国际计量大会上 (李天初提供)


二、秒的量子化定义

NSR: 秒的量子化定于始于何时?

李天初:人类对时间的认识开始于天文观测。基于地球自转的世界时间和基于地球公转的历书时间组成了天文时间。格林尼治天文台自从1871年10月1号起正式发布天文时间。1955年,英国国家物理实验室的埃森和帕里做成了第一台铯原子钟;同年,美国海军天文台和英国国家物理实验室合作,用天文秒测量了铯的频率,测量结果为9192631770 Hz,虽然那次测量的精度只有10-9,但那件事是非常重要的,它标志着一个新定义从一个老定义中脱胎而出。1967年,国际上正式废除了天文秒的定义,而把1秒定义成Cs-133原子的超精细能级辐射9192631770个周期的时间,这是秒的第一个量子化定义。从那以后,时间单位秒的定义,就从天文学过渡到物理学测量的阶段了。
英国国家物理实验室实现的第一台铯钟,实际上是一台基准钟。此那以后,基准钟不断地进化。1995年,法国实现了第一个基于激光冷却的铯原子喷泉钟。2014年,中国实现第一台铯原子喷泉钟,该钟同年通过了国际评审并参与驾驭国际原子时。现在,中国正在做第二台铯喷泉基准钟,它的初步不确定度已经达到6×10-16


NSR: 国际标准时间是如何产生和发布的?

李天初:光有基准还不够,还需要守时。把守时钟加权平均可产生原子时间,原子时间是非常可靠的,因为守时用的不是一台钟,而是一组钟。
目前,国际上大约有80个守时实验室、500台守时钟参与了国际计量局主导的国际原子时合作,把500台商品钟的数据加权平均就产生自由原子时(EAL)。自由原子时既可靠,又稳定,但不够准确。国际上有基准钟的国家不定期地向国际计量局报数,用报数的结果驾驭(修正)自由原子时,经过基准钟修正的自由原子时叫做国际原子时(TAI)。
国际原子时运行一段时间之后,会与天文时发生偏差。位于法国的国际地球自转组织,负责测量原子时和天文时(UT1)之间的差,当时间差快接近0.9秒时 就发出一个通告,在全世界范围内加一次闰秒,经过闰秒修正的国际原子时就是协调世界时(UTC)。协调世界时就是现在全世界范围内的通用时间了。
每隔30天,协调世界时以时间通报(T通告)的方式反馈给守时实验室,各个守时实验室再根据从T通告反馈回来的数据和自己上报数据的差修正自己的时间,产生更准确的本地原子时间UTC(k),其中k是实验室的缩写。例如,迄今为止,中国有三个实验室参与了自由原子时,UTC(NIM),UTC(NTSC)和UTC(BIRM)分别是中国计量科学研究院(NIM)、中国科学院国家授时中心(NTSC)和北京无线电计量测试研究所(BIRM)的本地原子时。


三、第一个用物理常数定义的单位:米

NSR: 米的常数化定义始于何时?

李天初:长度单位最早是从自然基准产生的。1792年,法国计量院委托了两位科学家用大地测量的三角法,严格测量了从敦刻尔克经过巴黎到巴塞罗那这一段地球子午线四分之一弧长的长度,再用地球子午线长度的四千万分之一定义了米,以此为依据制作了国际米原器(IPM)。
1892-1893年,迈克尔逊用米尺测量了镉光谱的波长。1960年,第11 届国际计量大会决定把米的定义废除,而改换成氪-86光谱灯谱线的波长。用光谱灯光源,就可以根据米的定义用干涉仪测量长度。这是米的第一个真正意义上的量子化定义。
激光诞生之后不久,稳频激光完全取代了氪灯,有很多人建议用激光的波长来代替氪灯重新定义米,但在究竟采用哪个波长的问题上产生了长久的争论。1972年,埃文森用波长作为标准重新测量了光速,不确定性较好。1975年,第15届国际计量委员会把光速值定为无误差常数。1983年,长度单位米由物理公式来定义,即c t是长度,是真空中的光速,是时间。因为时间已经定义了,其准确度远远高于其它的量。这样,长度的单位米就成为第一个用物理常数定义的单位。


NSR:米和秒之间有何联系?

李天初:实现长度单位的方法有多种。最重要的一种方法是通过光学梳将激光频率溯源到微波频率,然后直接将其回溯到秒定义。这样,秒的定义转换为光波长,秒与米密切相关。

单位重新定义的历程可简单概括为:用旧的单位的定义来测量一个常数,然后定义这个常数,基于这个常数重新定义单位,常数的实验测量成为复现新定义的方法之一


四、用常数定义的其他四个单位

NSR: 第26届国际计量大会是如何重新定义安培、开尔文、千克和摩尔四个单位的?

李天初:电流的单位安培的老的定义非常复杂且很难实现。安培的新定义,遵循米和秒的定义理念。首先选定电子电荷为基本电荷e,把它的数值作为无误差常数固定下来,每秒通过的电子电荷(或者基本电荷)就叫做电流:n e / s所以安培的物理概念非常清楚,就是每秒钟通过的n=1/个电荷就叫一个安培。现在复现安培的方法还是用欧姆定律,通过测量电压和测量电阻,然后算出电流来。电压和电阻的复现方法都已经实现量子化了。
温度单位开尔文的老定义是水的三相点,把水的液态、固态、气态三相态的温度定为273.16 K。这看起来是很科学、很合理的,但是水的三相点依赖于水的同位素的组成,我们可以测量水的同位素的组成,但还没有办法控制水的同位素的组成。开尔文的新定义的物理原理是,能量的变化就等于玻尔兹曼常数乘以温度的变化,ΔE = k ΔT,其中是能量,玻尔兹曼常数,是温度。新的温度的定义就转变成要准确测量玻尔兹曼常数。
质量单位千克的旧定义是国际千克原器(IPK)。新的定义基于两个公式。质量(m)、普朗克常数(h)、物质波的频率(v)、光的真空光速(c)之间的关系为:E = h vm c2,德布罗意-康普顿频率等于c2 / h的宏观质量就叫做1千克。千克的复现用基布尔(瓦特)天平来实现,即把质量的测量过渡到电的测量。
物质的量的单位摩尔定义为一定体积之内的原子或者粒子数,即基于一定数量的粒子来定义,将不再依赖于质量的单位千克。把阿伏伽德罗常数NA=6.022140 76×1023的数值作为无误差常数固定,1摩尔精确包含6.022 140 76×1023个基本粒子,该数即为以单位mol-1表示的阿伏伽德罗常数NA的固定数值,即1 mol = 6.022 14076×1023NA


NSR: 中国对国际单位的重新定义有何贡献?

李天初:在秒的量子化定义方面,国际上有九个国家参与国际原子时的驾驭,但是从2016年8月到现在,实际只有德、法、俄、中、意这五个国家在比较正规地修正国际原子时。在时间频率变革中,中国虽然在开始的时候没有真正参加进去,但是从2014年以后中国计量科学研究院的NIM5喷泉钟就给国际原子时做贡献。
在开尔文的重新定义方面,中国对玻尔兹曼常数的精确测定做出了实质性的贡献。中国计量科学研究院采用声学气体温度计和噪声温度计两种不同的方法精确测量了玻尔兹曼常数,测量结果均被国际科学技术数据委员会(CODATA)收录。
中国计量科学研究院做了一个类似于瓦特天平的焦耳天平,开展了与千克新定义相关的研究工作。


阿伏伽德罗常数的准确测定对摩尔的常数化定义非常关键。中国参与了阿伏伽德罗常数测量的国际合作和国际比对。中国计量科学研究院采用两种不同的方法测量了浓缩硅的摩尔质量,测量结果被正式采用。


五、新的国际单位制对世界的影响

NSR: 新国际单位制对计量的总体影响是什么?

李天初:这次基于常数的基本单位定义的重新定义是向下兼容的,对于一般的应用没有影响,对最高端的应用会有一些调整。但是,新的定义脱离了实物,溯源链更短,准确度很高,覆盖全量程,而且复现方法是开放的。随着技术的进步,可以用新的工艺、新的技术来复现。


NSR: 从您的专业角度来看,重新定义秒对技术应用的具体影响是什么?

李天初:新的秒定义有利于授时过程的扁平化。例如,原来的时间和频率是一步一步通过钟传递下去的,从基标准一直传递到最终用户。现在,GPS、北斗和格洛纳斯可以在全世界完成授时功能。卫星授时是一个扁平化的、一步到位的传递过程,缩短了时间频率的传递链路,提高了授时精度。
原子时有利于统一大工业制造的互换性。例如,中国生产一个轴,想要用一个瑞典的轴承。怎么保证把瑞典轴承装在中国的轴上,不用修正,一安装就能使用呢?老的做法是,用中国的一个千分尺来测量中国的轴,用瑞典的千分尺测量瑞典的轴承,然后用一个量块来校准中国的千分尺,然后再把这个量块运到瑞典去校准瑞典的千分尺。这个做法肯定能成,但非常笨。现在做法是,用中国的激光波长来测量中国的千分尺,然后用中国的原子钟来校准中国的激光波长,瑞典方面也像中国一样做。由于瑞典的时间跟中国的时间都统一到国际原子时上去了,用这样的方法就可以非常可靠地保证了中国测量的长度和瑞典测量的长度是一致的,中国的轴和瑞典的轴承是完全可以互换的。


NSR: 您对未来修订秒定义有何展望?

李天初:钟的稳定度是和名义频率成反比的。光的名义频率比微波的要高,所以光钟有更好的稳定度和不确定度。我们看到,光钟经过10年左右的发展,其稳定度就已经优于基于铯原子喷泉的微波钟了。目前,国际上最好的喷泉钟的稳定度2~4×10-16,而镱原子光钟在2018年的稳定度为1.4×10-18,铝离子光钟的在2019年的稳定度已经到了9.4×10-19。国际单位制咨询委员会(CCU)将正式总结四个基本单位的最新定义,并启动对秒重新定义的研究。


NSR: 您对SI重新定义的总体看法是什么?

李天初:第26届国际计量大会公布了基于7个常数的单位的新定义。这7个常数中有一些是确实基本物理学常数,有的甚至连物理学常数都不是。时间单位秒现在是基于铯频率常数,它不是一个严格的常数。国际计量大会把这7个常数统一叫做定义常数,把它们的值、误差值都予以公布。
在电流、热力学温度、物质的质量和数量这四个单位中,安培、开尔文和摩尔的概念很清楚。而千克是根据德布罗意-康普顿频率定义的,这个物理概念比较生僻,所以即使是对大学低年级学生,要进行科学普及性的解释可能也有些困难。




 
文章信息:[点击下方链接可阅读原文]
New SI and precision measurements: an interview with Tianchu Li
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz211

 

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