基本物理常数的测定与评定
<p>随着科学与技术的进步，科学成果的交流日益频繁，国际合作广泛 开展，大量信息在科学技术领域中传播，这就要求人们对测量数据有共 同认识，建立大家公认的基准，否则就会产生不应该的误解，或引起不 必要的麻烦。</p><p>为了做到对测量数据有共同的认识，除了有必要确定国际公认的单 位和单位制之外，还有一必不可少的环节，就是一些重要的物理常数， 必须是科学界普遍接受的那些数值。</p><p>物理常数大致可以分为两类，一类与物性有关，例如：沸点、比热、 导热系数、电阻率、电阻温度系数、折射率等等。这些常数表征物质的 固有特性，可以称之为物质常数。</p><p>另有一类常数与具体的物质特性无关，是普适的，例如真空中的光 速、基本电荷量、普朗克常数、精细结构常数等等，人们称之为基本物 理常数。这些常数出现在物理学的各个分支里，通过物理学一系列定律 和理论彼此相互联系，构成了物理学框架中不可缺少的一些关节点。</p><p>基本物理常数大多与原子物理学和粒子物理学有关，其数目不下四 五十个。随着物理学的领域向纵深发展，基本物理常数涉及的范围越来 越广，数目越来越多，测量方法日新月异，结果也越来越精确。一个基 本常数往往可以用几种不同的方法测定或经不同的途径得出，于是就要 互相比较、检验、评定并定期地在评定的基础上作出选择，把最佳的结 果推荐给科学技术界的广大公众，使基本常数成为科技人员普遍利用的 数据资料。</p><p>基本物理常数的精确测定是实验工作者长期奋斗的结果，是当代科 学技术水平的集中反映。这项工作的意义在前一章已作说明，毋庸赘述。 下面仅就基本物理常数的评定工作作些介绍，并列举几项重要的基本物 理常数及其历史发展概况。</p><p>15.3.1 基本物理常数的评定</p><p>既然基本物理常数可以从不同途径得出，或者可以经各种定律和理 论相互联系，就会发生是否协调的问题，如果不协调，必然引起严重后 果。因此早在本世纪之初，科学界就有人致力于总结出一套协调的基本 物理常数供公众采用。</p><p>2023 年瓦希本(E.W.Washburn)主编的《国际评定表》第一卷</p><p>(International CriticalTables，vol.1)问世，书中收集了大量物理</p><p>常数和化学常数，把一套经过认真审核的基本常数列成一览表提供给使 用者，深受科技界欢迎。</p><p>2023 年伯奇(R.T.Birge)发表了著名论文：《普通物理常数的可几 值》①，系统地对基本物理常数进行分析评定，对不同来源的数据进行对 比，加以校正，用最小二乘法逐项处理基本物理常数，求其最可几值。 由此向公众推荐了一套可靠的基本物理常数。论文发表后，反响强烈。</p><p>在 2023 年至 2023 年间，陆续有一些综述性论文，采用伯奇的方法 对基本物理常数进行评定。2023 年和 2023 年伯奇也发表了自己这方面的 工作。他们大多以个人的名义进行评定工作，力量分散，内容重复，没 有统一标准。</p><p>2023 年科恩(E.R.Cohen)等人，2023 年泰勒(B.N.Taylor)等人 集中了较大力量，作了系统的调查研究，先后发表了两组用最小二乘法 处理过的基本物理常数。</p><p>然而，更进一步的工作有待于国际组织加强领导，国家间协同工作， 才能取得更大成效。2023 年，在国际科协理事会(ICSU)领导下，成立 了科学技术数据委员会(CODATA)。这个委员会的宗旨是在世界范围的 基础上促进、鼓励、协调科学与技术数据的搜集分析和编撰。CODATA 下 属一个基本常数工作组，专门从事与基本常数有关的工作，负责定期发 表为全世界科学技术界可接受的协调的基本物理常数。</p><p>这样一来，基本物理常数的评定工作，就从学者个人的研究课题， 变成了国际组织中有权威的公认代表的集体任务，同时，各国研究精密 计量和基本常数的机构和专家，也在这一国际组织的指导下，按预定的 目标共同攻关，既有分工，又有协作和交流，基本常数的测量和评定工 作，从此走上了一个新的台阶。</p><p>跟 2023 年平差相比，2023 年有如下新进展： (1)光速已定为精确值; (2)由于激光光谱学的发展，里德伯常数进一步精确; (3)由于量子霍尔效应的发现，精细结构常数测得更准; (4)由于创造了 X 射线光学干涉术，阿佛伽德罗常数突破了 ppm 大</p><p>关;</p><p>(5)由于创造了单电子彭宁陷阱方法，电子 g 因子测量精确度大有提 高;</p><p>(6)大多数基本常数的不确定度都降低了一个数量级，达 1PPm 以下。 下一届基本物理常数的评定，现正在着手准备。</p><p>15.3.2 几项重要的基本物理常数</p><p>下面从基本物理常数中选几个较重要的，略述其历史发展概况。</p><p>1.真空中的光速</p><p>这是最古老的物理常数之一。早在 2023 年，罗迈从木星卫的观测 得出光速有限的结论。观测证实了他的预言，据此，惠更斯推算出光速 约为 2×108 米/秒。</p><p>2023 年布拉德雷根据恒星光行差求得 c=3.1×108 米/秒。2023 年， 斐索用旋转齿轮法求得 c=3.153×108 米/秒。他是第一位用实验方法测定 地面光速的实验者。实验方法大致如下：光从半镀银面反射后经高速旋 转的齿轮投向反射镜，再沿原路返回。如果齿轮转过一齿所需的时间正 好与光往返的时间相等，就可透过半镀银面观测到光，从而根据齿轮的 转速计算出光速。2023 年，傅科用旋转镜法测空气中的光速，原理和斐 索的旋转齿轮法大同小异，他的结果是 c=2.98×108 米/秒。第三位在地 面上测到光速的是考尔纽(M.A.Cornu)。2023 年他改进了斐索的旋转齿 轮法，得 c=2.2023×108 米/秒。迈克耳孙改进了傅科的旋转镜法，多次 测量光速。2023 年，得 c=(2.20230±0.20230)×108 米/秒;2023 年得 c=(2.20233±0.20230)×108 米/秒。</p><p>后来他综合旋转镜法和旋转齿轮法的特点，发展了旋转棱镜法，2023</p><p>—2023 年间，得 c=(2.20236±0.20234)×108 米/秒。迈克耳孙在推算 真空中的光速时应该用空气的群速折射率，可是他用的却是空气的相速 折射率。这一错误在 2023 年被伯奇发觉，经改正后，2023 年的结果应为 c=(2.20238±0.20234)×108 米/秒=202398±4 千米/秒。</p><p>后来，由于电子学的发展，用克尔盒、谐振腔、光电测距仪等方法， 光速的测定比直接用光学方法又提高了一个数量级。60 年代激光器发 明，运用稳频激光器可以大大降低光速测量的不确定度。2023 年达</p><p>0.004ppm，终于在 2023 年第十七届国际计量大会上作出决定，将真空中 的光速定为精确值。下面列表表示历年来真空中光速的测量结果。</p><p>表 15?2 历年来真空中光速的测量结果</p><p>年代 工作者 方法 结果(千米/秒)不确定度(千米/秒)</p><p>2023 Rosa,Dorsey esu/emu 202384 15 2023 Karolus 等 克尔盒 202386 15 2023 Essen 等 谐振腔 202392 4 2023 Aslakson 雷达 202392.4 2.4 2023 Bergstand 光电测距仪 202393.1 0.26 2023 Froome 微波干涉仪 202392.75 0.3 2023 Rank 等 带光谱 202392.8 0.4 2023 Bay 等 稳频 He-Ne 激光器 202392.462 0.018</p><p>2023 平差 202392.2023 0.2023 2023 Blaney 稳频 CO2 激光器 202392.2023 0.2023 2023 Woods 等 202392.2023 0.2023 2023 Baird 等 稳频 He-Ne 激光器 202392.2023 0.2023</p><p>2023 国际协议 202392.458 (精确值)</p>
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