劉 民 彭 明 劉碧野

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所,精密電磁測(cè)量與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,北京100086)

基本物理單位定義在空間計(jì)量中的討論

劉 民 彭 明 劉碧野

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所,精密電磁測(cè)量與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,北京100086)

現(xiàn)代計(jì)量學(xué)原理建立在“歐氏幾何的平直空間”、“質(zhì)量守恒”和“光沿直線傳播”等基本物理規(guī)律的基礎(chǔ)上,但是廣義相對(duì)論提出的時(shí)空彎曲和引力紅移理論動(dòng)搖了計(jì)量學(xué)的根基。在地球以外的更大尺度宇宙空間中,以及在引力場(chǎng)作用下、考慮物質(zhì)第四態(tài)-等離子體的情況下,需要重新研究基本物理量的定義。時(shí)間測(cè)量受到了引力紅移效應(yīng)的影響,時(shí)鐘在不同引力勢(shì)下的走速不同,導(dǎo)航衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)間測(cè)量,采用相對(duì)論公式修正了計(jì)時(shí)單位;長(zhǎng)度單位定義依賴(lài)于光速常數(shù)和時(shí)間測(cè)量,同樣受相對(duì)論效應(yīng)影響,而且在引力場(chǎng)中光線不沿著直線傳播,空間大尺度的距離單位光年定義困難;電壓?jiǎn)挝挥杉s瑟夫森效應(yīng)溯源到微波頻率,因而也受相對(duì)論效應(yīng)影響;在空間等離子體中電子平均動(dòng)能(電子溫度)與離子平均動(dòng)能(離子溫度)很難平衡。熱力學(xué)溫度單位定義隱含著平衡狀態(tài)和無(wú)序運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)條件,在定向粒子流存在的情況下,動(dòng)態(tài)溫度的定義是否僅包含無(wú)序運(yùn)動(dòng)的粒子平均動(dòng)能;質(zhì)量單位定義受到質(zhì)量守恒的質(zhì)疑,根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能公式,質(zhì)量不是物質(zhì)固有不變的特性。空間計(jì)量是計(jì)量學(xué)的新領(lǐng)域,在地球以外的大尺度時(shí)空中,統(tǒng)一物理單位,確保人類(lèi)在空間中的測(cè)量準(zhǔn)確,運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論重新定義空間物理量的單位將成為空間計(jì)量理論研究的一個(gè)發(fā)展方向。

空間計(jì)量 基本物理量單位 廣義相對(duì)論 引力 時(shí)間頻率 長(zhǎng)度 電壓 電流 溫度 質(zhì)量國(guó)際單位制

1 引 言

空間計(jì)量是空間技術(shù)和計(jì)量學(xué)交叉產(chǎn)生的新的學(xué)科,它以地球外更廣闊的空間為背景,研究測(cè)量單位的定義和測(cè)量方法,運(yùn)用廣義相對(duì)論解決牛頓力學(xué)和笛卡爾坐標(biāo)系上不可能處理的4維彎曲時(shí)空測(cè)量問(wèn)題。與時(shí)間-空間相關(guān)的基本物理量:電學(xué)量、熱學(xué)量、質(zhì)量等都需要重新考慮定義問(wèn)題,由此提出了空間計(jì)量的理論研究方向?？臻g計(jì)量在工程上急需解決長(zhǎng)期在軌的遙感衛(wèi)星、空間站、導(dǎo)航星座等在軌校準(zhǔn)問(wèn)題?？臻g計(jì)量包含理論研究和工程實(shí)踐兩個(gè)大的研究方向,本文僅在理論研究方面展開(kāi)討論。

2 背 景

計(jì)量有兩個(gè)任務(wù),第一是定義單位,統(tǒng)一基本物理量的單位;第二是建立計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn),復(fù)現(xiàn)單位量值,傳遞單位量值。在地球上,或者大氣層內(nèi),我們幾乎完整地建成了計(jì)量體系,規(guī)定了國(guó)際基本單位制SI,在國(guó)家計(jì)量院建立了各種物理量的基準(zhǔn)裝置,實(shí)現(xiàn)了基本單位的復(fù)現(xiàn)和量值傳遞。但是在大氣層以外更廣闊的空間,由于地面與空間的環(huán)境條件差異,尤其是引力場(chǎng)不同,基本物理量的定義需要重新考慮,如時(shí)間單位秒,長(zhǎng)度單位米,電流單位安培,熱力學(xué)溫度單位開(kāi)爾文,質(zhì)量單位千克。目前,地球上所有長(zhǎng)期測(cè)量活動(dòng),均需要周期性的校準(zhǔn),以滿足測(cè)量準(zhǔn)確。然而,地外空間的長(zhǎng)期測(cè)量活動(dòng)卻無(wú)計(jì)量保障,這正是空間計(jì)量學(xué)科面臨的問(wèn)題。上述第一個(gè)問(wèn)題屬于計(jì)量科學(xué)問(wèn)題,第二個(gè)問(wèn)題屬于計(jì)量技術(shù)和管理問(wèn)題。

科學(xué)方面,為了保證測(cè)量準(zhǔn)確和單位統(tǒng)一,形成了計(jì)量理論,建立了包括基準(zhǔn)、量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系,計(jì)量技術(shù)法規(guī)和計(jì)量管理制度。然而在地球以外的空間,這些理論、計(jì)量和管理體系是否仍然適用呢?由于地面與空間的引力場(chǎng)不同,根據(jù)廣義相對(duì)論,時(shí)空尺度也是不同的。韓春好博士在第31屆URSI-GASS2014國(guó)際無(wú)線電聯(lián)盟大會(huì)上做了“時(shí)空測(cè)量單位的概念”的報(bào)告[1],報(bào)告中提到:“當(dāng)今,廣義相對(duì)論和量子力理論成為大尺度空間和精確時(shí)間測(cè)量上的基本理論,時(shí)間、空間、引力和光是科學(xué)和技術(shù)的根本問(wèn)題,他們的基本概念需要重新定義,時(shí)空度量的基本尺度,和時(shí)間空間單位需要討論”。他預(yù)言在不同的引力條件下,有不同的時(shí)間空間單位。

技術(shù)與管理方面,空間計(jì)量是確保在地外空間所有測(cè)量活動(dòng)的單位統(tǒng)一,測(cè)量準(zhǔn)確的技術(shù)和管理活動(dòng)[2]。在月球基地、火星基地、小行星基地以及軌道航天器上將會(huì)長(zhǎng)期運(yùn)行著許多測(cè)量傳感器、測(cè)量?jī)x器、和科學(xué)實(shí)驗(yàn)探測(cè)儀器,目前所有確保其準(zhǔn)確的技術(shù)方法都是開(kāi)環(huán)方式,即在發(fā)射前,在相關(guān)的環(huán)境條件下進(jìn)行校準(zhǔn),當(dāng)發(fā)射后就無(wú)法進(jìn)行周期的校準(zhǔn)和標(biāo)定了。然而,變化是必然的,測(cè)量?jī)x器設(shè)備必然隨著環(huán)境條件的改變而發(fā)生變化,也必然隨著時(shí)間發(fā)生飄逸,甚至?xí)霈F(xiàn)故障情況,但是這些測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法在軌校準(zhǔn)和驗(yàn)證。美國(guó)Martin Marietta Manned Space System公司 1989年為NASA完成了一篇《空間站在軌計(jì)量和校準(zhǔn)活動(dòng)定義研究》報(bào)告[3],報(bào)告中首先列舉了所有空間站需要的在軌校準(zhǔn)技術(shù),包括傳感器的在軌校準(zhǔn),測(cè)量?jī)x器的在軌校準(zhǔn),溯源需求的定義和技術(shù)發(fā)展計(jì)劃準(zhǔn)備工作。隨著人類(lèi)活動(dòng)延伸到空間,空間計(jì)量的需求越來(lái)越迫切,空間計(jì)量的工程應(yīng)用需求也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

3 基本物理量在空間的定義問(wèn)題

3.1 時(shí)間單位

國(guó)際單位制SI秒的定義中,不包含引力場(chǎng)的修正,那么采用SI秒為單位的原子鐘所測(cè)量的原時(shí)(proper time),在不同引力場(chǎng)中有不同的原時(shí),只能通過(guò)坐標(biāo)時(shí)(coordinate time)進(jìn)行統(tǒng)一。根據(jù)廣義相對(duì)論,時(shí)鐘的頻率在不同引力場(chǎng)中是不同的,被稱(chēng)為引力紅移現(xiàn)象。這種引力紅移不同于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的源和觀者之間發(fā)生的多普勒紅移或藍(lán)移,而只跟引力場(chǎng)有關(guān)。引力紅移公式如式(1)[4]:

式中:fx0,fx1——用位置不變的同一個(gè)鐘觀測(cè)另一個(gè)鐘分別在位置x0,x1的時(shí)鐘頻率;U(x0),U(x1)——位置x0,x1的引力勢(shì);c——真空中的光速,3×108m/s。

如果都采用SI秒單位計(jì)時(shí),引力紅移現(xiàn)象為,原子鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)的鐘速慢于弱引力場(chǎng),星載原子鐘快于地面原子鐘。在地球表面高度相差Δh的兩處,引力勢(shì)差為[5]:

式中:ΔU——引力勢(shì)差;Δf——鐘速或頻率差;M——地球質(zhì)量5.98×1024kg;R——地球半徑6.4× 106m;G——萬(wàn)有引力常數(shù)6.67×10-11Nm2/kg2;c——光速,2.99×108m/s。

若不考慮來(lái)自太陽(yáng)和月球的引力影響,地球附近相對(duì)靜止的兩點(diǎn)高度相差1m～1 000km時(shí),引力造成時(shí)鐘走速(頻率)的相對(duì)變化見(jiàn)表1。

表1 引力造成時(shí)鐘走速/頻率的相對(duì)變化

除考慮廣義相對(duì)論的引力紅移外,狹義相對(duì)論的速度效應(yīng)也應(yīng)計(jì)算在時(shí)鐘走速差中,如式(4):

式中:f1——相對(duì)于觀者靜止的原子鐘鐘速;f2——相對(duì)于觀者運(yùn)動(dòng)的原子鐘鐘速;v——兩個(gè)原子鐘相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度;c——光速,2.99×108m/s。

對(duì)于衛(wèi)星原子鐘和地面原子鐘來(lái)說(shuō),都以SI秒為單位測(cè)量時(shí)間,上述(3)和(4)綜合相對(duì)論效應(yīng)為式(5):

若都采用SI秒為單位計(jì)時(shí),引力紅移效應(yīng)將造成高度20 000km軌道上的GPS衛(wèi)星時(shí)鐘比地球鐘快45.7μs/d,而相對(duì)速度的狹義相對(duì)論效應(yīng)造成衛(wèi)星時(shí)鐘慢了7.1μs/d,綜合效應(yīng)是38.6μs/d[6]。目前GPS衛(wèi)星用修正公式消除兩種相對(duì)論效應(yīng)影響,這樣星載鐘就不再采用SI秒單位測(cè)量原時(shí)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵在于時(shí)間統(tǒng)一,計(jì)時(shí)單位不需要統(tǒng)一,除了修正星載鐘頻率外,還需要明確守時(shí)坐標(biāo)參考點(diǎn)。所有衛(wèi)星時(shí)鐘和地面站時(shí)鐘在不同的引力場(chǎng)中以及在不同軌道上,走時(shí)快慢各不相同,以哪個(gè)鐘為參考鐘進(jìn)行校時(shí)呢?所謂守時(shí)坐標(biāo)參考點(diǎn)是人為定義的空間位置參考點(diǎn),在該點(diǎn)上接收到每顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)來(lái)的時(shí)間戳應(yīng)該是相同的。如果在守時(shí)坐標(biāo)參考點(diǎn)上有一個(gè)原子鐘,它測(cè)量的時(shí)間稱(chēng)為坐標(biāo)時(shí)[7],所有衛(wèi)星時(shí)鐘和地面站時(shí)鐘都應(yīng)該以這個(gè)時(shí)鐘為參考進(jìn)行調(diào)整。

在相對(duì)論觀點(diǎn)上,時(shí)間單位的統(tǒng)一,與時(shí)間測(cè)量值的統(tǒng)一是矛盾的,不同坐標(biāo)系之間沒(méi)有絕對(duì)同時(shí)性。在地球上有兩種坐標(biāo)系,慣性坐標(biāo)系是相對(duì)遙遠(yuǎn)星系不旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系,而非慣性坐標(biāo)系是跟隨地球自轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。在大地水準(zhǔn)面上,慣性坐標(biāo)系的時(shí)間尺度TT(由國(guó)際原子時(shí)測(cè)量值TAI表示時(shí)間)和非慣性坐標(biāo)系的時(shí)間尺度UT1(平均太陽(yáng)時(shí))之間存在非線性變化的誤差,國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)UTC的意義在于協(xié)調(diào)兩種坐標(biāo)系在地面的誤差,通過(guò)增加閏秒保持相互協(xié)調(diào)[8]。GPS和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在慣性系中測(cè)量時(shí)間,地面接收機(jī)使用非慣性系測(cè)量時(shí)間,這其中還有坐標(biāo)時(shí)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題[9]。

由于冷原子在空間微重力環(huán)境中,工作于微波諧振腔中的時(shí)間比地面更長(zhǎng),諧振譜線寬度從地面銫噴泉鐘的1Hz縮小到0.1Hz,穩(wěn)定度大大提高,因此工作在空間的原子鐘比地面更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定。美國(guó)NASA歐空局ESA在澳大利亞、德國(guó)、英國(guó)和日本的共同參與下,開(kāi)展空間原子鐘基準(zhǔn)計(jì)劃(SUMO/ PARCS),計(jì)劃在空間站建立10-16量級(jí)的空間時(shí)間基準(zhǔn)[10]?？臻g的原子鐘更適合于作為守時(shí)參考。

當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不適合于遠(yuǎn)離地球的深空探測(cè)應(yīng)用,X射線脈沖星自主導(dǎo)航技術(shù)可以為大氣層外所有航天器定位導(dǎo)航[11]。為了開(kāi)拓太空還需定義以太陽(yáng)質(zhì)心為守時(shí)坐標(biāo)參考點(diǎn)。毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化率達(dá)到1E-19～1E-21,被譽(yù)為自然界最穩(wěn)定的天文鐘[12],可以成為未來(lái)導(dǎo)航的時(shí)間參考。

時(shí)間計(jì)量是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),不僅僅依賴(lài)于準(zhǔn)確的鐘,更依賴(lài)于國(guó)際組織的協(xié)作,國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)自1991年采用廣義相對(duì)論作為基本天文學(xué)的基礎(chǔ),定義了全局的太陽(yáng)系質(zhì)心時(shí)空參考系(BCRS)和局部的地心時(shí)空參考系(GCRS),以及坐標(biāo)時(shí)對(duì)時(shí)間計(jì)量產(chǎn)生重大影響。

3.2 長(zhǎng)度單位

1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)采用光速作為常數(shù),重新定義長(zhǎng)度單位:“米是光在真空中1/299 792 458s的時(shí)間間隔內(nèi)的行程的長(zhǎng)度”。這個(gè)定義說(shuō)明了時(shí)間和空間是統(tǒng)一的不可分割的,時(shí)空是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的存在形式。既然光速是常數(shù),而時(shí)間測(cè)量受到上述相對(duì)論效應(yīng)的影響,那么在4維彎曲時(shí)空中距離的測(cè)量也會(huì)受到相對(duì)論效應(yīng)的影響。在4維時(shí)空中同樣有原距離(固有距離)和坐標(biāo)距離兩個(gè)概念,對(duì)應(yīng)著原時(shí)和坐標(biāo)時(shí)。相對(duì)論中有兩者相互轉(zhuǎn)換的公式。

根據(jù)廣義相對(duì)論,在引力場(chǎng)中時(shí)空不是平坦的。在強(qiáng)引力場(chǎng)中光線不走直線,會(huì)發(fā)生彎曲。而傳統(tǒng)長(zhǎng)度單位定義是基于歐幾里得空間,認(rèn)為光是直線傳播的。因此我們看到遙遠(yuǎn)的恒星會(huì)自然認(rèn)為恒星就在三維平直空間的某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上。用“光年”描述光在真空中傳播一年的距離,然而,宇宙空間中并不是平直的,光線穿越各種引力場(chǎng)發(fā)生了彎曲,實(shí)際上光年描述的是彎曲測(cè)地線的長(zhǎng)度。三維空間的長(zhǎng)度不等于四維空間的距離。在1875年的國(guó)際米制會(huì)議之前,長(zhǎng)度單位的曾經(jīng)定義為“以經(jīng)過(guò)巴黎的地球子午線從北極到赤道距離一千萬(wàn)分之一為1m”[13]。地球子午線(經(jīng)線)是二維曲面的測(cè)地線,從二維空間看子午線是直線,但在三位空間上看子午線是曲線。那么把二維空間定義的直線尺度用于三維空間,必然存在曲線與直線之間的高階小量偏差,在更廣闊的三維球面上就不能再用直尺測(cè)量距離了。同理,以光為基礎(chǔ)定義的長(zhǎng)度單位-米是三維空間中測(cè)地線上的一段距離,在四維空間將會(huì)存在曲線與直線的微小偏差。在四維時(shí)空中考慮空間計(jì)量,長(zhǎng)度單位也應(yīng)該重新定義。

狹義相對(duì)論認(rèn)為“光在真空中傳播速度為常數(shù),且不受光源運(yùn)動(dòng)的影響”,這個(gè)原理只適用于慣性坐標(biāo)系,不適用于非慣性坐標(biāo)系。因此,以光傳播為基礎(chǔ)的長(zhǎng)度定義,還需要考慮非慣性坐標(biāo)系的影響。例如用激光干涉儀測(cè)量距離時(shí),在10km距離上有1E-7的偏差測(cè)不準(zhǔn),究竟是定義的問(wèn)題還是測(cè)量?jī)x器的問(wèn)題?還是受地球自轉(zhuǎn)影響的非慣性坐標(biāo)系的造成的?廣義相對(duì)論中用Sagnac效應(yīng)解釋了這一現(xiàn)象[14]。

3.3 電學(xué)單位

似乎電磁學(xué)的基本原理麥克斯韋方程組與引力場(chǎng)沒(méi)有關(guān)系,在地面和空間中保持統(tǒng)一。但是,電壓?jiǎn)挝挥杉s瑟夫森常數(shù)來(lái)定義,就與頻率測(cè)量直接相關(guān)[15]:

式中:V——電壓;f——微波頻率;KJ-90——約瑟夫森常數(shù),483 597.9GHz/V;n——整數(shù),n=…,-2, -1,0,1,2…。

電壓?jiǎn)挝煌ㄟ^(guò)微波頻率溯源到時(shí)間單位,于是

式中:RH——量子化霍爾電阻;RK——馮·克里青常數(shù);i——整數(shù),i=1,2,3…。

國(guó)際單位制中電學(xué)單位是電流,安培,它是機(jī)械功率和電功率等價(jià)的橋梁,電流單位由約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn),由于電壓?jiǎn)挝皇芤?chǎng)影響,所以電流單位也會(huì)受此影響。從電流單位定義中不難看出,所謂“相距1米無(wú)限長(zhǎng)的直導(dǎo)線…”,其中米為長(zhǎng)度單位,于是,電流單位安培也受相對(duì)論效應(yīng)影響。

相比電學(xué)基準(zhǔn)單位目前的復(fù)現(xiàn)水平1E-8～1E -9量級(jí)來(lái)說(shuō),在地球外10萬(wàn)公里的空間范圍相對(duì)論效應(yīng)僅有1E-10量級(jí),不足為慮。

3.4 熱力學(xué)溫度單位

熱力學(xué)溫度是分子熱動(dòng)能量的度量,是宏觀物理單位。目前溫度定義在水的氣體-液體-固體三相點(diǎn)平衡狀態(tài)上,新的溫度單位即將由玻爾茲曼常數(shù)來(lái)定義。玻爾茲曼常數(shù)是統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)的基本常數(shù),它是熱力學(xué)溫度T和理想氣體的原子或分子在熱平衡溫度T時(shí)的平均動(dòng)能之間的比例常數(shù),可用式(7)表示:電壓?jiǎn)挝?伏特,也會(huì)受到相對(duì)論效應(yīng)的影響。在強(qiáng)引力場(chǎng)中的電壓?jiǎn)挝坏陀谌跻?chǎng)中的電壓?jiǎn)挝?。電壓的物理意義是單位電荷在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)力做的功。做功的過(guò)程與空間運(yùn)動(dòng)相關(guān),空間尺度受引力場(chǎng)的影響,那么電壓也會(huì)受引力場(chǎng)的影響。

電阻單位,歐姆,在量子化霍爾電阻基準(zhǔn)裝置上由馮·克里青常數(shù)復(fù)現(xiàn)[16],直接聯(lián)系普朗克常數(shù)h和電子電荷量e,由公式(7)可知電阻單位在空間和地面都是不變的,不受引力場(chǎng)影響。

式中:m——原子或分子的質(zhì)量;v2——平均速度的平方;kB——玻爾茲曼常數(shù),1.380 648 8×10-23J/K。

國(guó)家計(jì)量院基于理想氣體的熱力學(xué)理論,用單原子氣體氦氣或氬氣開(kāi)展測(cè)定玻爾茲曼常數(shù)的實(shí)驗(yàn),采用測(cè)量氣體聲速、氣體折射率或介電常數(shù)等方法獲得氣體常數(shù)R,由式(8)算出kB:

式中:R——摩爾氣體常數(shù);NA——阿佛加德羅常數(shù)。

空間計(jì)量研究等離子體溫度時(shí),發(fā)現(xiàn)等離子體與理想氣體有很大差異,熱力學(xué)溫度單位[開(kāi)爾文]不適用于空間等離子體的情況。因?yàn)闇囟葐挝坏亩x中隱含了兩個(gè)基本條件:

第一個(gè)基本條件是平衡狀態(tài),只有在溫度平衡條件下,即空間各處的溫度相等,微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能在空間的各處各方向上相等。但是在真空環(huán)境中很難有溫度平衡的環(huán)境,等離子體是物質(zhì)存在的第4中狀態(tài),是不同于氣-液-固三態(tài)的第四種狀態(tài),在宇宙空間占有99%的質(zhì)量,等離子體的電子與離子的有各自的平均動(dòng)能,很難平衡,非平衡態(tài)等離子體的電子溫度和離子溫度存在差異[17],電子溫度單位是eV,離子溫度有時(shí)用eV,有時(shí)仍采用熱力學(xué)單位開(kāi)爾文。電子伏特eV是能量單位,1eV≈1.6×10-19J。等離子體與中性氣體有很大區(qū)別,在中性氣體中,粒子之間的作用力是短程的力,兩個(gè)粒子只有在碰撞的瞬間才發(fā)生相互作用,粒子速度的大小和方向發(fā)生突變,理想氣體認(rèn)為是彈性碰撞,通過(guò)碰撞傳遞動(dòng)能很快達(dá)到平衡狀態(tài)。而等離子體中,帶電粒子之間的作用力是長(zhǎng)程的電磁相互作用,任何帶電粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)同時(shí)受到周?chē)罅康膸щ娏Ｗ与姶抛饔玫挠绊?又包括遠(yuǎn)處帶電粒子運(yùn)動(dòng)形成電荷集中而產(chǎn)生的電場(chǎng)以及形成電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的長(zhǎng)程作用,這樣,等離子體中很多粒子就會(huì)對(duì)外部刺激或內(nèi)部擾動(dòng)同時(shí)地作出響應(yīng),體現(xiàn)為集體行為[18]。等離子體中的粒子碰撞有彈性碰撞,也有復(fù)合與激發(fā)這樣的非彈性碰撞,因此,等離子體的溫度不同于理想氣體的溫度。

第二個(gè)條件是微觀粒子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài),溫度現(xiàn)象只能描述無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微觀粒子平均動(dòng)能。有人提出動(dòng)態(tài)溫度的概念,沒(méi)有區(qū)分定向動(dòng)能和無(wú)序動(dòng)能的差異,而把定向動(dòng)能也包含在溫度概念中是不正確的,如火箭尾焰的溫度,風(fēng)洞中氣流的溫度,消熱瓦表面的溫度,這些溫度描述是否消除了等離子體流和氣流定向的動(dòng)能?對(duì)溫度的定義不準(zhǔn)確,在測(cè)量中就會(huì)出現(xiàn)偏差。

3.5 質(zhì)量單位

許多研究單位致力于用自然常數(shù)定義千克單位,目前采用的千克原器基準(zhǔn)不久將退出。有兩個(gè)研究方向,一個(gè)是利用碳原子12的質(zhì)量常數(shù),另一個(gè)是利用電功率平衡。電功率天平的方法通過(guò)電流電壓的精確測(cè)量,能夠精確地將質(zhì)量單位kg與普朗克常數(shù)h聯(lián)系起來(lái),普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·s是光子能量ε與光頻率v的比例系數(shù),ε=hυ。普朗克常數(shù)可以理解為量子化的最小能量尺度。愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能公式E=mc2,告訴我們能量與質(zhì)量是直接強(qiáng)相關(guān)的,因?yàn)楣馑賑是常數(shù),則質(zhì)量就是變量。質(zhì)量不是物質(zhì)固有的不變的特性,物質(zhì)的能量是變化的,于是質(zhì)量也必然隨之而變。物質(zhì)能量存在的形式有內(nèi)勢(shì)能、外勢(shì)能、熱能、輻射能、原子能等,這些都隨著空間-時(shí)間,和引力場(chǎng)的變化而變化。正負(fù)電子對(duì)撞之后質(zhì)量消失,變成了γ射線,即光子能量輻射,證明質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)化,“質(zhì)量守恒定律”是地面計(jì)量學(xué)的根基,在空間則應(yīng)該變成“質(zhì)量能量守恒”。另一方面,質(zhì)量單位將由普朗克常數(shù)h、光速c、和時(shí)間單位s來(lái)定義,時(shí)間單位受相對(duì)論效應(yīng)的影響,則質(zhì)量單位間接受到影響。在空間計(jì)量中是否還將質(zhì)量作為基本物理量,有待探討。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)量學(xué)的任務(wù)是統(tǒng)一物理量的單位,確保測(cè)量準(zhǔn)確可靠,最重要的任務(wù)是統(tǒng)一基本物理量單位定義。在空間科學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域,廣義相對(duì)論已經(jīng)替代了經(jīng)典牛頓力學(xué)成為理論工具。空間中受引力場(chǎng),尤其是引力紅移效應(yīng)影響,一些基本物理量如時(shí)間頻率單位、長(zhǎng)度單位、電學(xué)單位、質(zhì)量單位在空間的定義需要重新討論。在真空和等離子體環(huán)境中使用溫度單位,需要謹(jǐn)慎考慮非平衡態(tài)和定向運(yùn)動(dòng)的影響?？臻g計(jì)量是傳統(tǒng)計(jì)量學(xué)與空間科學(xué)交叉的新領(lǐng)域,人類(lèi)的活動(dòng)已經(jīng)進(jìn)入到宇宙空間,必然面對(duì)空間基礎(chǔ)物理量的定義問(wèn)題,這也是空間計(jì)量的一個(gè)研究方向。

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Discussion on the Definition of Basic Physical Units in Space Metrology

LIU Min PENG Ming LIU Bi-ye
(Beijing Oriental Institute of Measurement&Test(BOIMT), Precision Electric-Magnetic measurement and Calibration laboratory,Beijing 100086,China)

Modern metrology theory are base on truth of“the space is straight and flat in Euclid space”,“Mass of matter obeys conservation law”,and“l(fā)ight line is along straight”.But the General Relativity(GR)theory is shaking the root of modern metrology by“curve of space-time”and“gravitational red shift”.In large scale space out of the earth,in difference gravity potential,and considering the fourth state of matter-plasma,the basic units of physical needs research its define.Frequency measurement is influenced by gravitational red shift,clock speed is different with gravitational change.Navigation satellite adjusts its time unit according to relativistic theory formulae to unify system time measurement.The length unit depends on light speed constant and time measurement,also subject to relativistic effect.Because light line is curved by gravity,the distant unit of light-year which descript large span in space is dif-ficult to define.Voltage unit trace to microwave frequency unit by means of Josephson”s effect,are also affected by relativistic effect.In space plasma,electrons and ions keep themselves temperature,because they have difference average kinetic energy.There are two conditions hide in definition of thermal temperature unit that conditions must be equilibrium and state of disorder or randomness.If weather the definition of dynamic temperature dose only include disorder average kinetic energy,in case of particles streams toward certain direction.The famous formula E=mc2told us that mass of matter is not conservation.Mass of matter could change with its energy.Space metrology is new field of metrology.In large span space out of earth,space metrology will unify physical units,ensure human being to measure accuracy in space.It will become development orient of space metrology theory study that the space physical units are redefined according to modern science principle.

Space metrology Basic physical quantity units General relativity Gravity Time and frequency Length Voltage Current Temperature Mass SI unit

1000-7202(2017)01-0001-06

TB9

A

2016-05-04,

2016-12-29

劉民(1969-),男,研究員,博導(dǎo),主要研究方向:電磁計(jì)量、空間計(jì)量、靜電防護(hù)技術(shù)。