編者按 中國計(jì)量科學(xué)研究院張鐘華院士負(fù)責(zé)用量子化霍爾效應(yīng)建立國家電阻標(biāo)準(zhǔn)，他帶領(lǐng)的研究組研制的低溫電流比較儀的不確定度達(dá)到10－10量級(jí)為世界第一，在世界電學(xué)領(lǐng)域享有極高聲譽(yù)。在中國儀器儀表學(xué)會(huì)2005學(xué)術(shù)年會(huì)上張鐘華院士就“二十一世紀(jì)中的計(jì)量測試技術(shù)”做了精彩演講，博得與會(huì)代表熱烈掌聲。會(huì)后就同一問題，接受了本刊記者的采訪。 記者：計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展 經(jīng)歷了很長的階段，請(qǐng)您談?wù)動(dòng)?jì)量工作的發(fā)展過程。 張鐘華院士：適應(yīng)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r的計(jì)量工作經(jīng)歷了以下階段。第一階段：農(nóng)業(yè)社會(huì)，統(tǒng)一度量衡；計(jì)量工作適合農(nóng)業(yè)社會(huì)中農(nóng)產(chǎn)品和生活用品貿(mào)易的需要，測量準(zhǔn)確度達(dá)到百分之一到千分之一（10－２到10－３量級(jí)）。第二階段：工業(yè)社會(huì)，工業(yè)生產(chǎn)中的互換性要求，對(duì)工作的加工精度提出了更高要求；科學(xué)技術(shù)工作中對(duì)精密儀器提出了需要，測量準(zhǔn)確度要達(dá)到萬分之一到億億分之一（10－４到10－3量級(jí)）。為適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)提出的要求，生產(chǎn)過程中要求進(jìn)行精密測量，自動(dòng)化生產(chǎn)要求在線的、快速的測量設(shè)備。進(jìn)入二十一世紀(jì)提出了新問題，如生物醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、國防安全等，都需要準(zhǔn)確度更高的精密測量設(shè)備。 記者：基本單位的量值需要復(fù)現(xiàn)和保存，以便實(shí)際應(yīng)用，這些任務(wù)是由計(jì)量基準(zhǔn)來完成的。請(qǐng)您談?wù)剬?shí)物計(jì)量基準(zhǔn)和量子計(jì)量基準(zhǔn)的不同。 張鐘華院士：20世紀(jì)上半葉以前，基本單位的量值由實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)和保存。實(shí)物基準(zhǔn)一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩(wěn)定的實(shí)物來實(shí)現(xiàn)。例如一個(gè)保存在巴黎國際計(jì)量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱——千克原器砝碼的質(zhì)量就定義為質(zhì)量單位千克，按x型鉑銥合金米尺的刻線間距離定義長度單位米，用一組飽和式韋斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特，用一組標(biāo)準(zhǔn)電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位等等。如米原器模型、千克原器模型等。實(shí)物基準(zhǔn)存在以下局限性： （1）最高的計(jì)量基準(zhǔn)為某種實(shí)物，就有其固有的缺點(diǎn)。盡管這些實(shí)物墓準(zhǔn)是用19世紀(jì)末20世紀(jì)初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成，在當(dāng)時(shí)也滿足了對(duì)于計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求，但是這樣的實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會(huì)有所改變。以上述鉑銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內(nèi)部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會(huì)使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準(zhǔn)確數(shù)量也很難確切查明。 （2）最高等級(jí)的實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)全世界只有一個(gè)或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭或其他原因發(fā)生意外損壞，就無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會(huì)因此中斷。 （3）量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級(jí)的實(shí)物基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場所，量值要經(jīng)過多次傳遞，準(zhǔn)確度也必然地有所下降。 上述問題已經(jīng)使傳統(tǒng)的量值傳遞檢定系統(tǒng)日益不能適應(yīng)需要。20世紀(jì)下半葉以來與傳統(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)完全不同的量子計(jì)量基準(zhǔn)的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了全新的途徑。量子計(jì)量基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是： （1）量子計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度一般要比實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 （2）量子計(jì)量基準(zhǔn)是一種物理實(shí)驗(yàn)裝置，可以多處建立。不會(huì)有一旦損壞不能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)的問題。 （3）按照相同原理建立的量子計(jì)量基準(zhǔn)，所復(fù)現(xiàn)的量值也相同，避免了計(jì)量基準(zhǔn)的量值多次逐級(jí)傳遞而造成的一系列問題。 記者：請(qǐng)您談?wù)劻孔佑?jì)量基準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展。 張鐘華院士：日前已建立的量子計(jì)量基準(zhǔn)總是伴隨著某一種具體的量子物理手段，從而定義了一種基本單位。如果此種手段有廠新的發(fā)展，人們就會(huì)面臨著是否要改變基本單位定義的問題。例如，現(xiàn)在的時(shí)間（頻率）單位是用銫原子的超精細(xì)能級(jí)的躍遷頻率定義的。如果發(fā)現(xiàn)了其他復(fù)現(xiàn)性更好的躍遷頻率（目前的候選者有鈣原子、激光等），時(shí)間（頻率）單位的定義就有可能改變。但是，單位定義的改變影響面很大，頻繁地改變單位定義是人們所不希望的。因此，人們就開始探索更為穩(wěn)定化的單位定義方法。 從目前的物理學(xué)知識(shí)來看，基本物理常數(shù)（如真空中光速c、普朗克常數(shù)h、電子電荷e等）是不變的，有最好的穩(wěn)定性。如果能把基本單位用基本物理常數(shù)定義，基本單位的定義將能長期保持穩(wěn)定。復(fù)現(xiàn)基本單位的具體技術(shù)手段可以隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷與時(shí)俱進(jìn)，但基本單位的定義可以無需更改。這樣的基本單位制將更加科學(xué)，也可在更長的時(shí)期內(nèi)為人們服務(wù)。 因?yàn)榛疚锢沓?shù)有幾十個(gè)，彼此之間有各種各樣的方程式互相聯(lián)系。基本物理常數(shù)工作組定期（大約幾年一次）對(duì)國際上發(fā)表的基本物理常數(shù)SI值的測定結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，并用最小二乘法對(duì)發(fā)表的基本物理常數(shù)SI值進(jìn)行乎差，得到一組基本物理常數(shù)的最佳推薦值，供各有關(guān)方面使用。最新兩次基本物理常數(shù)的平差是1998年和2002年進(jìn)行的。 1982年把長度單位定義成真空中光在（1／299792458）秒中走過的距離，就是把長度單位用真空中的光速和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)來定義。這是在此方向跨出的一步。 1988年國際計(jì)量委員會(huì)又建議用約瑟夫森量子電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)代替原來的電壓、電阻實(shí)物基準(zhǔn)，等效與用普朗克常數(shù)h、電子電荷e和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)電壓和電阻單位。這是在用基本物理常數(shù)定義單位的方向上又跨出的一步。 在溫度單位方面，也正在試探用波爾茲曼常數(shù)k定義溫度單位開爾文的可能性。 現(xiàn)代最準(zhǔn)確的銫噴泉原子鐘，3000萬年誤差1s。 記者：您研制的量子化霍爾電阻量值傳遞到100Ω的低溫電流比較儀的測量不確定度達(dá)10－10“量級(jí)，是世界最高水平，用量子化霍爾效應(yīng)建立了國家電阻標(biāo)準(zhǔn)，為計(jì)量事業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。請(qǐng)您介紹一下這方面的情況。 張鐘華院士：1990年1月1日起，按照國際計(jì)量委員會(huì)的建議，已在世界范圍內(nèi)啟用了量子化霍爾電阻自然基準(zhǔn)代替原有的電阻實(shí)物基準(zhǔn)。現(xiàn)已有BIPM及美、英、法、德、日、瑞士等國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室建成了此項(xiàng)量子基準(zhǔn)。加拿大、澳大利亞、韓國、臺(tái)灣、香港、新加坡、南非等國家和地區(qū)也正在積極建立此種基準(zhǔn)。 我國建立電壓量子基準(zhǔn)的工作已完成?，F(xiàn)在需要建立量子化霍爾電阻自然基準(zhǔn)與之配套，導(dǎo)出SI單位制中電學(xué)量基本單位電流和實(shí)用中最為廣泛的功率、電能的單位，以適應(yīng)我國加入WTO以后檢定結(jié)果國際互認(rèn)的要求。 1988年9月在巴黎舉行的國際計(jì)量委員會(huì)電咨詢委員會(huì)（CCE）第18次會(huì)議上，綜合了各國用“可計(jì)算電容法”求得的h／e2以及用量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)求出的。這兩種不同類型的各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了RH的國際推薦值。RH＝25812.807Ω，即i＝l時(shí)的RH值。 i＝2的平臺(tái)處的量子化霍爾電阻值為 我介紹一下一些正在建立量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的國家和地區(qū)的情況； 澳大利亞：已進(jìn)行多年，可用電阻網(wǎng)絡(luò)把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準(zhǔn)確度為10－8量級(jí)。但建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 意大利：與澳大利亞相似。 韓國：用磁放大電流比較儀把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準(zhǔn)確度為10－7量級(jí)。建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 我國臺(tái)灣地區(qū)：已建立低溫電流比較儀，但只能手動(dòng)操作，準(zhǔn)確度為10－8量級(jí)。 新加坡、香港特別行政區(qū)、挪威、南非、斯洛伐克：購買了牛津儀器公司的低溫電流比較儀，但均未能正常工作。由于質(zhì)量不過關(guān)，牛津儀器公司的低溫電流比較儀已停產(chǎn)。 丹麥：建立低溫電流比較儀的工作未完成。欲與中國計(jì)量院合作。 用電阻網(wǎng)絡(luò)來傳遞量子化霍爾電阻的量值時(shí)，步驟多，準(zhǔn)確度較低。20世紀(jì)90年代以后，各國發(fā)展了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新方法，準(zhǔn)確度提高了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。1997年我院在世行貸款項(xiàng)目的支持下，啟動(dòng)了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新課題，課題完成后大幅度提高了我院量子化霍爾電阻基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，達(dá)到10－10量級(jí)。按目前已發(fā)表的資料來看，我院量子化霍爾電阻基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度已位列世界第一。 低溫電流比較儀目前國際上在此方面遇到的主要問題有： （1）準(zhǔn)確度：低溫電流比較儀的準(zhǔn)確度可達(dá)到1×10－11以上，但量子化霍爾電阻與l00Ω比較時(shí)的比例調(diào)整誤差達(dá)到1.2×10－5。補(bǔ)償后的殘余部分為10－9量級(jí)。 （2）隨機(jī)誤差：由于凍結(jié)磁通、液氦氣壓波動(dòng)、SQUID器件發(fā)熱等因素引起的數(shù)據(jù)分散性為10－9量級(jí)。低溫電流比較儀本身的比例準(zhǔn)確度很高?？蓛?yōu)于10－11量級(jí)。但這種比例只能是兩個(gè)整數(shù)之比（即初級(jí)與次級(jí)繞組的匝數(shù)之比）。而量子化霍爾電阻的國際推薦值為12906.4035Ω，與100Ω比較時(shí)需要129.064035∶1的準(zhǔn)確比例。用兩個(gè)整數(shù)之比來逼近此準(zhǔn)確比例時(shí)必然留下一定量的調(diào)整誤差。 課題研究中解決的幾項(xiàng)問題： （1）研究出了減少量子化霍爾電阻與100Ω比較時(shí)的比例調(diào)整誤差的方法，調(diào)整誤差已減少到5×10－7Ω（國際上為1.2×10－5Ω）。原則上還可進(jìn)一步提高。 （2）把有用的信號(hào)強(qiáng)度提高了5倍，信噪比也得到了同樣程度的提高。 （3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種特殊的插入式氣壓波動(dòng)濾波器，可大大縮小由于氦氣壓波動(dòng)而引起的隨機(jī)誤差。 （4）目前課題組在比較量子化霍爾電阻與100Ω時(shí)的準(zhǔn)確度已進(jìn)入10－10量級(jí)，傳遞到1n時(shí)的準(zhǔn)確度為10—9量級(jí)，居國際領(lǐng)先水平。 由量子化霍爾電阻傳遞到十進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)的綜合不確定度；傳遞到100Ω為0.48×10－9Ω；傳遞到1Ω為0.72×10－9Ω。 2000年10月，日本電子技術(shù)綜合研究所（ETL）與我國計(jì)量院比對(duì)了電阻量值。結(jié)果表明，兩國由量子化霍爾電阻導(dǎo)出的112電阻量值的差別僅為1.3×10－9Ω，為公開發(fā)表的比對(duì)結(jié)果的最佳值。 韓國請(qǐng)中國專家在量子三角形研討會(huì)上作量子電阻標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者崔琦教授來信向我們祝賀。 記者：請(qǐng)您談?wù)劻孔踊鶞?zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀。 張鐘華院士：7個(gè)基本單位：時(shí)間、長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、摩爾。 質(zhì)量單位千克目前是保存在BIPM的千克原器的質(zhì)量，是最后一個(gè)仍在使用的實(shí)物基準(zhǔn)。如何用給定基本物理常數(shù)以重新定義質(zhì)量單位，已成為新世紀(jì)中對(duì)于計(jì)量科技工作者最大的挑戰(zhàn)。 目前的時(shí)間頻率單位是用133銫原子的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率來定義的。這是一種量子標(biāo)準(zhǔn)，但并未建立在基本物理常數(shù)的基礎(chǔ)上。如果將來發(fā)現(xiàn)別的躍遷頻率精度更高（例如可能是汞原子或鈣原子），就會(huì)出現(xiàn)是否要更改時(shí)間頻率單位定義的問題。所以，已有人提出，可以用給定黎德堡常數(shù)以重新定義時(shí)間頻率單位。 黎德堡常數(shù)的不確定度很小，為10－14量級(jí)。是除光速以外不確定度最小的基本物理常數(shù)，準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的各種基本物理常數(shù)，在乎差時(shí)是作為無誤差常數(shù)輸入的。所以有可能用給定黎德堡常數(shù)以重新定義時(shí)間頻率單位，但目前這只是一種探討。 2l世紀(jì)內(nèi)最引人注目的工作將是建立量子質(zhì)量基準(zhǔn)的工作。 但是，基本單位定義的更改是一件影響深遠(yuǎn)的事，必須極為慎重。每一小點(diǎn)進(jìn)步都需要付出長期的堅(jiān)持不懈的努力。未來的國際單位制的建立將是一個(gè)漫長的過程。我們希望中國的科學(xué)家也能在此過程中做出自己的貢獻(xiàn)。 21世紀(jì)全世界的計(jì)量工作者將集中全力建立質(zhì)量的量子基準(zhǔn)。目前正在進(jìn)行的有3種方案。 第1種方案是把12C原子的質(zhì)量作為基本標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)晶體中原子計(jì)數(shù)，過渡到宏觀質(zhì)量。 第2種方案是通過電功率天平把電功率與力學(xué)功率聯(lián)系起來，通過P＝mv的方程導(dǎo)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 第3種方案是把金的離子射線收集起來得到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，射線中的金離子個(gè)數(shù)通過測量金離子對(duì)應(yīng)的電流來確定。 用測量阿伏伽德羅常數(shù)建立質(zhì)量自然基準(zhǔn)的要點(diǎn)： （1）測出硅單晶的晶格常數(shù)； （2）數(shù)出一個(gè)硅單晶球體中的硅原子數(shù)目； （3）測出硅單晶球的質(zhì)量； （4）求出阿伏伽德羅常數(shù)； （5）建立基于硅原子質(zhì)量的宏觀物體的質(zhì)量自然基準(zhǔn)。 目前，日本NMIJ、德國PTB、意大利INGC、澳大利亞CSIRO等國測量用同位素自然豐度制作的樣品，結(jié)果的重復(fù)性已達(dá)到3×10－7。 為了進(jìn)一步減小同位素豐度對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響，日本已經(jīng)在進(jìn)行用純28Si制作樣品的工作。目前純28Si單晶只能拉到200g，不夠制作樣品。預(yù)計(jì)兩年后可以做出5kg的純28Si單晶。可以從中挖出1kg的球型樣品進(jìn)行試驗(yàn)。希望將阿佛加德羅常數(shù)測定的相對(duì)不確定度從目前的3.1×10－7到2006年達(dá)到6.9×10－8，到2009年達(dá)到2.1×10－8。 目前此方案最大的問題是所測得的結(jié)果與“電功率天平法”的結(jié)果相差了1×10－6。與會(huì)者認(rèn)為可能存在系統(tǒng)誤差，最大問題可能是硅球的表面問題（表面氧化層、表面張力等等）。 記者：我國加入WTO后，在許多方面需要與國際接軌，請(qǐng)介紹一下計(jì)量檢測證書的國際互認(rèn)問題。 張鐘華院士：1999年10月，在巴黎國際計(jì)量局37個(gè)國家計(jì)量院院長簽訂了計(jì)量檢測證書國際互認(rèn)協(xié)議，并預(yù)定將于2003年10月正式生效。 119項(xiàng)關(guān)鍵比對(duì)及我國計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀：1／3的項(xiàng)目狀況較好，在國際比對(duì)中合格； 1／3的項(xiàng)目需改造，改進(jìn)后可參加國際比對(duì)； 1／3的項(xiàng)目為我國空白項(xiàng)目。 但電學(xué)量項(xiàng)目有80％為第一類，主要項(xiàng)目達(dá)到國際先進(jìn)水平。 記者：中國計(jì)量科學(xué)研究院是國家最高的計(jì)量科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，請(qǐng)您介紹一下計(jì)量院的定位和主要任務(wù)。 張鐘華院士：中國計(jì)量科學(xué)研究院是非營利、公益性事業(yè)單位，為政府和社會(huì)服務(wù)，保證國內(nèi)量值統(tǒng)一并與國際一致。 計(jì)量院有兩項(xiàng)主要任務(wù)： 其一包括：①計(jì)量科學(xué)的基礎(chǔ)研究（量子物理、自然基準(zhǔn)、基本常數(shù)）；②測量和校準(zhǔn)服務(wù)（長、熱、力、電、光、放、無、時(shí)頻、聲、化）；③測量技術(shù)和方法的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)讓、咨詢）。 其二包括：①國家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)的研究、建立、運(yùn)行、維護(hù)、完善和提升；②政府法律和法規(guī)的測量技術(shù)保證；③國際互認(rèn)協(xié)議（MRA）、國際比對(duì)和合作；④質(zhì)量體系的運(yùn)行、維護(hù)、完善和提升；⑤拓寬服務(wù)領(lǐng)域，與企業(yè)合作，促進(jìn)其產(chǎn)品和技術(shù)的市場競爭力的提高。 記者：中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平區(qū)實(shí)驗(yàn)基地已開工建設(shè)，請(qǐng)介紹一下情況。 張鐘華院士：今年7月27日，中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平區(qū)實(shí)驗(yàn)基地開工建設(shè)。實(shí)驗(yàn)基地占地面積55.3萬m2，建筑面積4.7萬m2。實(shí)驗(yàn)基地建成后，將建立我國量子計(jì)量實(shí)驗(yàn)室和超精密測量實(shí)驗(yàn)室，大大改善科研條件。歡迎有志于獻(xiàn)身我國計(jì)量事業(yè)的青年人，到計(jì)量院來，參加計(jì)量技術(shù)的基礎(chǔ)研究，為計(jì)量發(fā)展做貢獻(xiàn)。