趙新華 孫永莉

（1.臨沂市檢驗檢測中心，山東 臨沂276007；2.山東魯南眼科醫(yī)院，山東 臨沂276003）

0 序言

第26屆國際計量大會通過 《關(guān)于修訂國際單位制（SI）的1號決議》，安培等4個國際單位制的基本單位被重新進(jìn)行了定義，電流計量單位安培將用電子電荷e定義。國際單位制這次定義的改寫是它創(chuàng)建以來意義最為重大的一次，這次變革使國際測量體系第一次全部建立在不變的物理常數(shù)上，將保持國際單位制的長期穩(wěn)定性和客觀通用性。

1 量子化之前的歷史沿革

1.1 電流計量單位的最初定義

電流是電荷在導(dǎo)體中定向移動形成的。在1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以前，電流的方向曾被規(guī)定為正電荷移動的方向。為紀(jì)念法國科學(xué)家安培，電流單位被命名為安培（A）。1881年巴黎第一屆國際電學(xué)家大會決定增加電流為實用單位，它規(guī)定1伏特電勢差加在1歐姆電阻上產(chǎn)生的電流強度為1安培。1893年芝加哥第四屆國際電學(xué)大會上，為電流等實用單位規(guī)定了實物基準(zhǔn)，它規(guī)定若恒定電流通過硝酸銀溶液時，當(dāng)1秒內(nèi)有0.001 118克的銀析出時的電流強度即為1安培。這是電流計量單位歷史上第一次被稱之為“國際”單位，但是由于這一單位制并不完備，所以它提出后并未得到世界的普遍認(rèn)可。

1.2 電流計量單位的經(jīng)典定義

1948年第9屆國際計量大會決定正式廢除國際電學(xué)大會制定的電流的“國際”單位，重新定義了電流強度的單位。電流強度的單位被定義為：在真空中相距1米的兩無限長而圓截面可忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)通過一恒定電流，若這恒定電流使得這兩條導(dǎo)線之間每米長度上產(chǎn)生的力等于2×10-7N（牛頓），則這個恒定電流的電流強度就是1安培。但是上述理論定義在現(xiàn)實中無法復(fù)現(xiàn)，因為定義中的兩根“無限長”的導(dǎo)線是無法實現(xiàn)的。

1960年10月第11屆國際計量大會決定采用安培為國際單位制的基本單位。根據(jù)歐姆定律，同一電路中通過導(dǎo)體的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟電阻成反比。對于電流、電壓、電阻這三個電磁學(xué)的計量單位，只要有了兩個，就可根據(jù)上述定律導(dǎo)出第三個。隨著約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，在很多計量基準(zhǔn)的建設(shè)中，常利用約瑟夫森效應(yīng)建立量子化電壓基準(zhǔn)，并利用霍爾效應(yīng)建立量子化電阻基準(zhǔn)，間接確立電流計量基準(zhǔn)。1990年起國際計量委員會在世界范圍內(nèi)建議啟用約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)，并給出了兩種標(biāo)準(zhǔn)中涉及的約瑟夫森常數(shù)和馮克里青常數(shù)的國際推薦值，它所涉及的兩個常數(shù)均與基本電荷量e有關(guān)。

1.3 基本電荷與電流

電荷的一個重要特性是它的量子性，任何帶電體的電荷都是某一基本單位的整數(shù)倍。在各種帶電微粒中，電子電荷量的大小是最小的。人們把最小電荷叫做元電荷，用符號e表示。1913年密立根用帶電油滴實驗測得e=1.6×10-19C。2002年電子電荷的測得值e=1.60 217 653×10-19C，不確定度為8.5×10-8。

物理學(xué)家?guī)靵鲋赋?，若?dǎo)線中載有1安培的穩(wěn)恒電流，則在1秒內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面積的電荷量為1庫侖。根據(jù)I=Q/t，即1 A=1 C/s=n·e/s，所以1 A=（6.2 415 095×1018）×（1.60 217 653×10-19）C/s。

基本物理常數(shù)以其恒定性使其可以很好的定義基本單位，不斷探索更精確更完善的常數(shù)定義基本單位是實現(xiàn)單位定義的基礎(chǔ)。2005年起安培采用電子電荷（e）來進(jìn)行定義。自2005年國際計量委員會起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分國際單位制基本單位的框架草案以來，隨著測量的深入，在國際間共同努力下，基本電荷量e的量值也越來越精確。

2018年11月16日，國際計量大會通過決議，1安培被定義為1 s內(nèi)通過（1 602 176 634）-1×1028個電子電荷所對應(yīng)的電流?；倦姾蒭以單位C，即A·s，表示時，將其固定數(shù)值取為1.602 176 634×10-19來定義安培，即基本電荷的常數(shù)值e=1.602 176 634×10-19C，其不確定度優(yōu)于2.2×10-8。

2 電流計量單位量子化的意義

國際單位制電流基本單位在這次改革中發(fā)生了重大變化，由原先的宏觀物體和宏觀物理現(xiàn)象進(jìn)行定義，改為以量子理論為基礎(chǔ)的物理方法得出基本物理常數(shù)進(jìn)行定義。量子理論的研究已經(jīng)表明，量子效應(yīng)比宏觀效應(yīng)具有更好的不變性?；疚锢沓?shù)測定值不確定度越小，由它定義的基本單位的準(zhǔn)確度越高。電流計量通過使用目前已知的基本物理常數(shù)定義計量單位進(jìn)而建立準(zhǔn)確度更高的國際通用電流計量基準(zhǔn)，為電流測量提供了全新的、更好的、統(tǒng)一的基礎(chǔ)，將對電磁學(xué)計量體系產(chǎn)生重要影響。

在新的定義下，可以藉此致力研究量子電流標(biāo)準(zhǔn)。隨著量子科學(xué)的興起，通過生成可控電子的電流源可以更精確的定義安培。得益于量子科學(xué)的一個新興領(lǐng)域——“電子量子光學(xué)”所進(jìn)行的研究，單電子檢測技術(shù)才得以實現(xiàn)。電子量子光學(xué)在納米尺度系統(tǒng)中實現(xiàn)對電子的控制，這項技術(shù)為高性能量子計算機(jī)的突破貢獻(xiàn)力量，它同樣催生了基于單電子的量子電流計量基準(zhǔn)的產(chǎn)生。量子電流計量基準(zhǔn)利用半導(dǎo)體單電子泵做為產(chǎn)生精確電流的電流源?；趩坞娮铀淼佬?yīng)的單電子泵在導(dǎo)電的導(dǎo)電島和隧道結(jié)間施加固定電壓，在柵極上施加振蕩電壓。每一個激蕩周期內(nèi)經(jīng)隧道穿過的電子數(shù)目通過測量柵極電壓的振幅精確測量。振蕩電壓的幅值及頻率可以精確測量。電流與振蕩電壓頻率的關(guān)系可表示為：I=n·e·f。流過單電子泵的電流就可以由測得的電子數(shù)目與電子電荷量以及柵極電壓頻率的乘積得到。基于單電子泵的電流源可做成準(zhǔn)確度極高的電流自然基準(zhǔn)，可與約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)相互聯(lián)系、互相驗證，形成完備的基準(zhǔn)體系，為直接復(fù)現(xiàn)電流單位安培提供基礎(chǔ)。

電流計量單位的重新定義意義還在于可以滿足國際單位制在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確使用的要求，支撐國際貿(mào)易、高科技制造業(yè)、人類健康與安全、環(huán)境保護(hù)、全氣候研究與基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，保持國際單位制的長久穩(wěn)定性、內(nèi)部一致性，便于以當(dāng)前最高水平的自然理論描述并實際復(fù)現(xiàn)。

3 電流計量單位重新定義對今后的影響

國際單位制電流基本單位的重新定義，使電流計量從特定實物基準(zhǔn)過渡到自然基準(zhǔn)之上。安培的新定義只和一定時間內(nèi)通過的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式，只要具備復(fù)現(xiàn)條件的實驗室均可復(fù)現(xiàn)，大大減少長鏈條量值傳遞造成不確定度增大。復(fù)現(xiàn)定義不再受時間、空間及人的因素的影響，不會隨時間改變而變化，所復(fù)現(xiàn)的電流量值將具有高度的時間穩(wěn)定性。自此以后，電流單位將更加統(tǒng)一可靠、穩(wěn)定一致，準(zhǔn)確度也將不斷提高。

電流計量單位量子化以后，實現(xiàn)電流計量單位量值傳遞方式也將進(jìn)一步扁平化。新的量值傳遞體系將會逐步改變過去的傳遞模式，使計量標(biāo)準(zhǔn)隨時隨地復(fù)現(xiàn)，變得效率更高。量值傳遞不再依賴單一基準(zhǔn)，將來可以根據(jù)需要建設(shè)更多的高準(zhǔn)確度的區(qū)域化計量中心進(jìn)行量值傳遞溯源。利用量值傳遞扁平化的條件可建立起全新的測量體系。未來量子化的電流計量基準(zhǔn)也可與新興的5G等新技術(shù)結(jié)合，量值傳遞鏈條必將更短、實現(xiàn)的速度也更快、結(jié)果更準(zhǔn)確。

隨著國際單位制變革的深入，必將對技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)社會等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。雖然目前我國的計量技術(shù)基礎(chǔ)還比較薄弱，測量技術(shù)和相關(guān)儀器裝備研究制造還相對落后，但是隨著計量單位量子化后測量精度的提高，必將催生新的測量技術(shù)，引發(fā)技術(shù)創(chuàng)新，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來的測量也可把最高測量精度直接賦予生產(chǎn)制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定。今后必將出現(xiàn)能夠保持長期穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，更利于獲得可靠的測量數(shù)據(jù)，推動新一輪工業(yè)革命的進(jìn)步。國際單位制實現(xiàn)量子化，新的測量方法和測量儀器將不斷涌現(xiàn)，量子測量技術(shù)將不斷發(fā)展，將促進(jìn)計量技術(shù)的全面創(chuàng)新，持久地影響科技和社會的發(fā)展。