收稿日期：2002-12-27.
基金项目：湖北省教育厅2002年度重点项目（B 类）.
作者简介：杨建平（1964-），女，副教授，主要从事物理学史的研究.
基本物理常数与计量基本单位
杨建平
（湖北民族学院物理系，湖北恩施445000）
摘要：基本物理常数的发现和测量，不仅在物理学的发展中起到了很大的作用，而且在计量学的发展上也起到
了重要的作用.设法把计量单位的定义与基本物理常数相联系，详细分析了长度单位、电压单位、电阻单位以
及质量单位与基本物理常数的关系.由于基本物理常数是不会变化的，因此这样定义的计量单位极为稳定，不
会随着时间而发生漂移.
关键词：基本物理常数；计量基准；单位制
中图分类号：04-34文献标识：A 文章编号：1008-8423（2003）02-0069-03
基本物理常数是指那些在物理学中起着基本而广泛作用的普适常数.如真空中的光速c 、普朗克常数1、基本电荷量e 、阿伏伽德罗常数N A 以及许多有关微观粒子的常数等等.基本物理常数的发现和测量，不仅在物理学的发展中起到了很大的作用，而且在计量学的发展上也起到了重要的作用.普朗克早在20世纪初就
建议用基本物理常数来定义物理量的基本单位，也就是计量基本单位.但由于当时的测量准确度还很低，
这个愿望未能实现.20世纪50年代以前，计量基准的量值一般是由实物基准所保存及复现的.这种实物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，而且总是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，以保证其稳定性.
实物基准及相应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作出了贡献.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开始反映出一些不足：实物基准一旦做成，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化，因而它所保存的量值也会有所改变；最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦因为某种意外原因而损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断；量值传递检定系统庞大复杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降.为了解决这些问题，人们就要寻找那些不依赖于某一具体实物具体特性的计量基准，从而诞生了量子计量基准.量子计量基准基于量子物理学中阐明的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，即光子.而且，电磁波频率
!与!E 之间满足普朗克公式，
而比例系数为普朗克常数1.也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量.另一方面，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，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提高.而且量子跃迁复现计量单位不受时间、地点的限制.现在，把此类用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准，而量子计量基准中，又依赖于一些基本物理常数.20世纪80年代开始，随着基本物理常数准确度的不断提高，长度单位、电学量电压和电阻单第21卷第2期
2003年6月湖北民族学院学报（自然科学版）JournaI of Hubei Institute for NationaIities （NaturaI Science Edition ）VoI.21No.2Jun.2003
位均先后采用了有关物理常数来定义，而且现在全世界范围内正在着手用基本物理常数来更新千克的定义. 1长度单位米的定义与基本物理常数c
20世纪60年代开始用一些特定原子系统的量子效应来定义单位的量值，即开始了“量子计量基准”的时代［1］.第一个付诸实施的量子计量基准是1960年第十一届国际计量大会规定的：“长度单位米（m）等于86 Kr原子的2P10和5c5能级之间的跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度”.第二个量子计量基准，也是最著名和最成功的一种量子计量基准是1967年在第十三届国际计量大会上规定的铯原子钟，即“时间单位秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”.这些量子计量基准所涉及的是特定种类的原子在发生量子跃迁时对应的物理量的量值，它不会随时间产生漂移，其准确度和稳定性均大大超过原来的实物计量基准.而且量子计量基准可以在全世界任一处复现，不存在因事故损坏而无法复制的问题.
但是，这样的计量基准还有其局限性，主要反映在它依赖于某一种原子的特定量子跃迁过程.如果后来又发现了别的、更准确的量子跃迁过程，就会涉及修改单位定义的问题.因此，从20世纪80年代起，人们又不断探讨另一种更好的方法，即用某种物理常数来作为计量基准的方法.第一个被采用的基本物理常数是真空中的光速c，真空中的光速c是指电磁波在真空中传播的速度.电磁波在折射率为D的介质中的传播速度为c/D，由于任何介质的D均大于1，只有真空中的D=1，因此在介质中的光速均小于真空中的光速c.根据狭义相对论的假设，真空中的光速c为一恒定值，它不随光源或接受器的速度而变化，是一个基本物理常数. 20世纪70年代初，计量学家通过精密测量稳频激光的频率f及其在真空中的波长值!，获得了准确的真空中光速c的数值为：
c=f!=299792458mS-1，
其中不确定度为1.2mS-1.相对不确定度为4X10-9.1973年的常数推荐值为即为此数值.1983年第十七届国际计量大会决定，长度单位米采用真空中光速值定义：“米是光在真空中（1/299792458）秒的时间间隔内行程的长度”.光速c值成为此米定义中的一个约定值，因而就成为精确值，不确定度为零.
2电学量计量单位与基本物理常数1、e
电学量的计量单位更是与许多基本物理常数有关.早在18世纪末，库仑发现的两个定律中（静电学库仑定律和静磁学库仑定律）就由于各量单位的不同而出现了两个常数"0、#0.1948年第九届国际计量大会通过国际单位制中第四个基本量安培的定义为：“安培是恒定电流，若在真空中相距1m的两根无限长而圆截面可忽略的平行直导线内保持此电流时，则导线间单位长度上产生的力为2X10-7Nm-1”.
根据电磁学理论，上述定义中所产生的力可用下式表示：
F 1=#0
I1I2
2$c
，
上式即毕奥-萨伐尔定律的数学表达式.式中I
1和I
2
分别为两平行导线内的电流，1为单位长度，c为两
根导线在真空中的间距，#0即真空磁导率.根据上式，其数值为一精确量，即#0=4$X10-7Hm-1=4$X10-7 NA-2［2］.20世纪80年代以来随着人们对各种量子跃迁的认识不断深入，量子计量基准已不再局限于复现长度和时间这两种基本单位，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展.两种荣获诺贝尔物理学奖的重大发现（约瑟夫森效应和量子霍耳效应）导致了约瑟夫森电压量子基准和量子化霍耳电阻基准的建立.1988年国际计量委员会建议从1990年1月1日起在全世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍耳电阻标准以代替原来的由标准电池和标准电阻维持的实物基准，并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常量（K
J
=2e/ 1）及冯·克里青常量（R K=1/e2）的国际推荐值.从几年来的实践结果来看，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2~3个数量级.新的量子电学基准的特点也是只与两个基本物理常数———普朗克常数1及基本电荷量e有关，不会因具体实现手段而发生变化.
3质量单位千克［kg］的更新与基本物理常数N A，1
在国际单位制中，质量的基本单位［kg］是以保存在巴黎国际计量局的千克原器定义的.各国［kg］基准的质量以平均每年约0.5#g的增长率在变大，这种变化早已超过［kg］国际比对的精度.从20世纪五十年代开始，科学家们对更新［kg］的定义进行了深入的探索与大量的研究，有望在本世纪初取得突破，得以利用基本
物理常数N
A ，1或原子的物理特性来建立量子化的［kg］定义［3］.
07湖北民族学院学报（自然科学版）第21卷
