量子计量学：利用量子力学定律建立计量单位的标准
2024-08-20
计量学是一门关于测量的科学。它定义了计量单位，实现了计量单位，维护了计量单位的完整性，传播了计量单位，并定期对国际单位体系进行改进。国家计量机构是每个国家/地区使用的测量仪器校准的参考点。
一个好的度量单位有三个标准：
标准1：普遍性。可被尽可能多的人理解和使用——“对所有人”。
标准2：随时间推移保持稳定。参考点不会随时间变化（1 kg,仍然是1 kg）——“随时间推移”。
标准3：切实可行。世界各地（或宇宙其他地方）的许多计量中心都可以实施相同的系统来校准他们国家/地区使用的仪器。
计量是技术进步和贸易的核心
伴随着长度标准单位“米”的传播应用，现代计量学于18世纪末法国大革命时期诞生。
此后，其他测量单位（时间、质量、温度、电流等）也得到了定义和改进。
计量是技术进步和贸易的核心：
通过与现有仪器相比，测量仪器的改进可以普遍量化。性能提高的证据导致了影响人类和地球的技术革命。
贸易是建立在价值比较的基础上的，这需要对物品的价值进行明确的量化。
确保良好计量单位的标准1和2，促使计量学家根据最基本的物理现象来定义单位。
让我们看一个例子……
基于金属棒的仪表定义可能会有所不同，因为金属会随着温度而膨胀，在多哥（炎热的地方）和瑞典（寒冷的地方）给出的值略有不同。相比之下，构成金属棒的原子不受这种变化的影响。因此，根据原子的“大小”建立米的定义，就标准1和2而言要好得多。满足简单性标准3需要时间，因为它需要世界各地的许多实验室以相同的方式实际实现该装置，并就通用方法达成一致。
因此，时间单位（秒）不再是通过钟摆实现的，而是通过观察铯原子中非常规则和普遍的振荡来实现的。
1967 年实施的“原子”秒的新定义现在可以保证时间单位的精度达到小数点后 16 位！
如果没有这种技术进步，日常使用中的许多现代应用将不复存在，首先是需要非常稳定的时钟的卫星定位系统。
原子秒是量子计量学的第一个例子。事实上，这个定义利用了量子力学的基本定律（建立于20世纪初）来测量时钟底部的振荡现象。
