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基本物理常数的测定与评定
来源查字典物理网| 2015-07-17 发表| 物理广角分类:物理学史

物理广角

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。

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。

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。

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。

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。

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。

15.3.1 基本物理常数的评定

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。

1926 年瓦希本(E.W.Washburn)主编的《国际评定表》第一卷

(International CriticalTables,vol.1)问世,书中收集了大量物理

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。

1929 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。

在 1937 年至 1955 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。1941 年和 1945 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。

1955 年科恩(E.R.Cohen)等人,1963 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。

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。1966 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。

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。

跟 1973 年平差相比,1986 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

关;

(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;

(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。

15.3.2 几项重要的基本物理常数

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。

1.真空中的光速

这是最古老的物理常数之一。早在 1676 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。

1728 年布拉德雷根据恒星光行差求得 c=3.1×108 米/秒。1849 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。1862 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)。1874 年他改进了斐索的旋转齿 轮法,得 c=2.9999×108 米/秒。迈克耳孙改进了傅科的旋转镜法,多次 测量光速。1879 年,得 c=(2.99910±0.00050)×108 米/秒;1882 年得 c=(2.99853±0.00060)×108 米/秒。

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,1924

—1927 年间,得 c=(2.99796±0.00004)×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 1929 年被伯奇发觉,经改正后,1926 年的结果应为 c=(2.99798±0.00004)×108 米/秒=299798±4 千米/秒。

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。1973 年达

0.004ppm,终于在 1983 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。

表 15?2 历年来真空中光速的测量结果

年代 工作者 方法 结果(千米/秒)不确定度(千米/秒)

1907 Rosa,Dorsey esu/emu 299784 15 1928 Karolus 等 克尔盒 299786 15 1947 Essen 等 谐振腔 299792 4 1949 Aslakson 雷达 299792.4 2.4 1951 Bergstand 光电测距仪 299793.1 0.26 1954 Froome 微波干涉仪 299792.75 0.3 1964 Rank 等 带光谱 299792.8 0.4 1972 Bay 等 稳频 He-Ne 激光器 299792.462 0.018

1973 平差 299792.4580 0.0012 1974 Blaney 稳频 CO2 激光器 299792.4590 0.0006 1976 Woods 等 299792.4588 0.0002 1980 Baird 等 稳频 He-Ne 激光器 299792.4581 0.0019

1983 国际协议 299792.458 (精确值)

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