計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性(共享)

進(jìn)一步理解計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[概要]計(jì)量不僅保證著產(chǎn)品的一致性和互換性，而且對于保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。測量過程可以溯源到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)就是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)最重要的指標(biāo)是其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。[關(guān)鍵詞]計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確性穩(wěn)定性隨著近代大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)的發(fā)展，對零件提出了互換性要求，這就要有統(tǒng)一的幾何量標(biāo)準(zhǔn)。日益擴(kuò)大的貿(mào)易活動也提出了建立統(tǒng)一的質(zhì)量（mass）標(biāo)準(zhǔn)的要求。一旦這些標(biāo)準(zhǔn)建立了起來，由不同人在不同時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行的測量過程就有了統(tǒng)一的依據(jù)，測量的數(shù)值結(jié)果可以相互比較。也就是說，測量過程可以溯源到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這種可以溯源到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測量就稱為計(jì)量，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)就是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)中，工業(yè)化大生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)取得了長足的發(fā)展。計(jì)量不僅保證著產(chǎn)品的一致性和互換性，而且對于保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)中的各種工藝過程日益精密化和嚴(yán)格化，產(chǎn)品的質(zhì)量得到了空前的提高。各種生產(chǎn)廠商不斷努力加強(qiáng)這種過程，以占領(lǐng)更多市場份額，求得企業(yè)發(fā)展。大生產(chǎn)在各種領(lǐng)域形成了買方市場，激烈的競爭就圍繞著產(chǎn)品的質(zhì)量展開。所以有人提出，21世紀(jì)將是一個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量競爭的時(shí)代。在檢驗(yàn)產(chǎn)品的各方面性能時(shí)，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)起著保證測試結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵作用。因此產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上依賴于計(jì)量測試工作。朱镕基總理曾指出過，原材料、工藝和計(jì)量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的三大要素。20世紀(jì)的另一重大特征是高新技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。集成電路、計(jì)算機(jī)、激光、航天技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、納米材料等等深刻地改變著我們的社會面貌。近年來環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)等方面的問題也得到了越來越多的重視，要求計(jì)量測試技術(shù)提供各種各樣的環(huán)境檢測服務(wù)，為提高生活質(zhì)量提供切實(shí)的根據(jù)。在上述高新技術(shù)的研發(fā)過程中，各種各樣的精密實(shí)驗(yàn)無不需要計(jì)量技術(shù)及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供保證。同時(shí)新興技術(shù)往往也提出建立新的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)展新型測量技術(shù)的要求。因此，現(xiàn)代計(jì)量工作在多方面發(fā)揮著其社會功能。在過去的20世紀(jì)中，計(jì)量基準(zhǔn)經(jīng)歷了從實(shí)物基準(zhǔn)到量子基準(zhǔn)的提升，準(zhǔn)確度有了大幅度的提高，適應(yīng)了社會對計(jì)量工作提出的各種各樣的高要求。經(jīng)典計(jì)量與實(shí)物基準(zhǔn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)一般先在一個(gè)國家的范圍取得統(tǒng)一，以促進(jìn)該國的生產(chǎn)和貿(mào)易的發(fā)展。秦始皇首次統(tǒng)一中國的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（統(tǒng)一度量衡）是歷史上我國對計(jì)量事業(yè)的重要貢獻(xiàn)。18世紀(jì)以后由于世界性的工業(yè)革命以及國際貿(mào)易的發(fā)展，首先在歐洲形成了一種國際性的計(jì)量單位制——米制，確定了以米、千克、秒為最基本的計(jì)量單位。經(jīng)過一百多年，此種單位制已發(fā)展成為目前國際上一致公認(rèn)的國際單位制SI。其中規(guī)定了米、千克、秒、安培、開爾文、坎德拉、摩爾7個(gè)基本單位，其它各種單位則由這7個(gè)基本單位導(dǎo)出。由于7個(gè)基本單位的重要性，國際單位制中給出了它們的嚴(yán)格定義及準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)單位的方法。用于保存和復(fù)現(xiàn)基本單位的裝置就是準(zhǔn)確度等級最高的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)——計(jì)量基準(zhǔn)。19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計(jì)量基準(zhǔn)。這些計(jì)量基準(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)，故稱為實(shí)物基準(zhǔn)。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。計(jì)量基準(zhǔn)是保證整個(gè)計(jì)量工作準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)。但也正是由于其重要性，不能輕易使用。為了使產(chǎn)業(yè)界能夠使用準(zhǔn)確的計(jì)量量值，需要建立一種量值傳遞檢定網(wǎng)。以最常見的稱重計(jì)量為例，最高等級的質(zhì)量計(jì)量基準(zhǔn)是保存在巴黎國際計(jì)量局的鉑銥合金千克砝碼原器。每數(shù)年一次各國的中央計(jì)量機(jī)構(gòu)把它們的國家基準(zhǔn)千克砝碼運(yùn)到巴黎與砝碼原器進(jìn)行比對以得到各國基準(zhǔn)砝碼的準(zhǔn)確量值，然后再由各國自行向下傳遞質(zhì)量量值。我國則已建立了國家、省、市（縣）等各極計(jì)量機(jī)構(gòu)。這些計(jì)量機(jī)構(gòu)都保存著它們的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，并按照國家級——省級——市、縣級——企業(yè)的金字塔式的計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)依次向下傳遞量值，開展日常的計(jì)量檢定工作。19世紀(jì)以來，各國的計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)給產(chǎn)業(yè)界提供了計(jì)量服務(wù)，確實(shí)在幫助產(chǎn)業(yè)界提升產(chǎn)品品質(zhì)的工作中做出了重大貢獻(xiàn)。但是，隨著科技及工農(nóng)業(yè)的由標(biāo)準(zhǔn)的電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻維持的實(shí)物基準(zhǔn)，并給出這兩種新標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的約瑟夫森常數(shù)KJ及馮克里青常數(shù)RK的國際推薦值。從幾年來的實(shí)踐結(jié)果來看，1988年國際計(jì)量委員會的建議是十分有效的。采用新方法后電壓單位和電阻單位的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度提高了兩到三個(gè)數(shù)量級。

目前，各國的計(jì)量研究院正在努力攻克經(jīng)典計(jì)量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計(jì)量基準(zhǔn)來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準(zhǔn)。此實(shí)物基準(zhǔn)是上一世紀(jì)制成的，當(dāng)時(shí)估計(jì)其準(zhǔn)確度為10-9量級，在19世紀(jì)的各種計(jì)量基準(zhǔn)中首屈一指。可惜的是其后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少因素會使其保存的質(zhì)量量值不斷發(fā)生變化。例如該砝碼盡管不易氧化，但其表面仍會吸附一些肉眼無法察覺的氣體分子和其他雜物，甚至其內(nèi)部也會吸附氫氣等氣體。這些過程使該砝碼質(zhì)量的增加量可能已達(dá)到十多微克（1×10-8以上）。仔細(xì)的清洗過程可以減少此種被吸附的雜物，但過一段時(shí)間又會發(fā)生類似過程。為了擺脫此種困境，亦應(yīng)該用某種適當(dāng)?shù)牧孔佑?jì)量基準(zhǔn)來代替這一已明顯跟不上時(shí)代步伐的實(shí)物基準(zhǔn)。目前對這一十分迫切的課題已提出了若干解決方案。例如用高度提純的硅晶體中的硅原子質(zhì)量作為新的量子質(zhì)量基準(zhǔn)就是一種有希望的方法，其關(guān)鍵步驟是實(shí)際計(jì)數(shù)出硅晶體中原子的數(shù)目。但這一方案雖經(jīng)多年探索，準(zhǔn)確度還只達(dá)到10-8量級，尚未能直接取代鉑銥合金砝碼。還有一種辦法是利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率基準(zhǔn)，再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值。從原則上說也算是一種量子質(zhì)量基準(zhǔn)。盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙，但稍嫌復(fù)雜，目前的準(zhǔn)確度也只能達(dá)到10-8量級。國際計(jì)量局已明確號召各國的計(jì)量科學(xué)家用各種各樣的方案來攻克量子質(zhì)量