基本概念

基本物理常数

基本物理常数是物理领域的一些普适常数，主要是指原子物理学中常用的一些常数。最基本的有真空中光速с，普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量me和阿伏伽德罗常数NA等。基本物理常数共有30多个，加上其组合量则有40—50个，它们之间有着深刻的联系，并不是彼此独立的。例如，电子的发现是通过对电子的荷质比e/m的测定获得的；M.普朗克建立量子论的同时，发现了普朗克常数等。由此可见，基本物理常数出现于许多不同的物理现象之中，每一种物理现象的规律都同一种确定的常数有关[1]。

物理学是一门实验科学，它的理论和定律是建立在实验测量的基础上的。物理定律中各个物理量之间的关系，需要对每个物理量进行准确的测量。为此，物理学建立了严密的单位制体系，其中包括基本单位和导出单位。基本单位有严格的定义、科学的复现方法，并且在国际上可以进行彼此间的国际比对。上述物理量单位的定义、研究、保持、复现和比对均由各国的计量研究机构承担，以保证物理量的精密测量在国际范围内的统一。基本常数与微观粒子有密切的关系。如基本电荷(e)、电子和质子的质量(me和mp)、里德伯常数(R∞)和精细结构常数(α)等，它们在基本常数的有关方程中是相互关联的。

定义单位基准

基本物理常数

从1875年米制公约的建立到1960年采用国际单位制前的近一个世纪的发展中，基本单位的定义和复现是以经典物理学为基础的。如一杆铂铱合金米尺和一个铂铱合金砝码定义了长度单位米和质量单位千克，用地球绕太阳的公转周期定义了时间单位秒，用通电导线之间的作用力定义电流单位安培等。这个时期是用宏观实物或宏观物理现象当作“不变量”来定义基本单位的。

物理学发展到今天，形成了许多分支，如固体物理学、原子物理学、原子核物理学、粒子物理学、天体物理学等等，包括大至宇宙、小至基本粒子的广阔领域。但是物理学的这些分支都是用统一的物理理论结合在一起的，这些基本理论有经典电动力学、相对论（见狭义相对论、广义相对论）、统计力学（见统计物理学）、量子力学等。这些理论的定量预言的准确程度，依赖于在理论中出现的基本物理常数值的准确性。特别重要的是，仔细研究由物理学不同领域的实验所确定的这些常数值，能逐个考察物理学一些基本理论的一致性和正确性。由于应用了高稳定激光、约瑟夫森效应、X射线干涉术、量子霍耳效应等许多新方法，使基本物理常数测量的准确度有所提高，很多常数的测量准确度已达10－6量级，更高的可达10－8—10－10量级。常数的准确值增加一位，就会有可能发现物理学中前所未知的矛盾，或获得解决今天所存在的某个矛盾的线索。

基本物理常数的重要性还表现在定义计量单位从而建立计量基准的工作上。普朗克早在1906年就建议用基本常数来定义计量基本单位，由于当时常数的测量准确度还很低，这个愿望不能实现。20世纪60年代以来，随着常数值的准确度不断提高，上述建议就有了现实意义。如由于可同时准确测量高稳定激光波长λ和频率v，就能够通过с=λv来准确定出真空中的光速с，长度单位可以通过时间单位（频率的倒数）和光速с导出；与此类似，通过公式v=γpB（式中γp为质子回磁比）可以由频率通过γp导出磁感应强度B，从而确定电流单位；在交流约瑟夫森效应中，由于v=(2e/h)·V，即可由频率单位通过2e/h的SI制的值来确定电压单位V；等等。可以看到，现在计量基准的发展趋势就是利用目前准确度最高的频率单位，通过有关的基本物理常数来定义其他的基本或导出单位。因此，未来的基本单位的定义和准确度在一定程度上依赖于基本物理常数的测定值和准确度。

基本物理常数

在常数的数据处理中，多年来国际上一直采用最小二乘法平差来得出常数的一组最佳值。用这种方法可尽量减少常数最佳值的偶然误差，但并不能消除测量中的系统误差。

基本常数的平差是1929年R.伯奇首先进行的，他的工作一直继续到1945年。后来三次平差是J.杜蒙和E.科恩进行的。1969年，B.泰勒等人根据交流约瑟夫森效应测量的e/h值以及其他有关常数值，结合量子电动力学的理论研究，作出了新的平差。

70年代以来，基本常数的平差工作，是在国际科学协会科学技术数据委员会（简称CODATA）的基本常数工作组的直接主持下进行的。有7个国家的专家参加了这项工作，由科恩和泰勒根据各国积累的实验数据具体分析编纂而得。1973年他们曾正式发表了一组国际推荐的基本常数表，称为1973年平差。

由于基本常数领域中工作的不断进展，常数数值也会不断更新，因此在大约十年左右将进行一次基本常数的新的平差，由此获得新的国际推荐值。1986年完成了一次平差。它是由CODATA基本常数任务组的泰勒和科恩负责编纂的。与1973年常数平差的国际推荐值相比，1986年平差的国际推荐值的不确定度有了明显的减小。大多数常数的不确定度减小一个量级。

根据天文和地球物理的观测资料，一些物理学家提出了基本物理常数可能随时间变化的理论推测。这些推测可能有助于推动物理学家和计量学家去对基本物理常数进行更精密的实验测量。但迄今为止，上述理论推测的论点还是不充分的，实验上也没有能够证实基本物理常数有随时间的变化。

单位新基准

基本物理常数

在研究原子物理学和量子力学的规律时，发现量子效应比宏观现象具有更好的不变性。如电子在原子中运动，当它受到外界作用时，其能量发生的变化是不连续的，只能在允许的能级之间跃迁。跃迁的能量变化ΔE=hν，式中h是一个恒定不变的量，称为普朗克常数。在特定条件下的许多跃迁，其辐射频率（ν）是非常稳定并具有很高复现性的不变量，十分适合用来定义计量单位和作为基准使用。激光频标就是利用非常稳定的离子（或原子和分子）的跃迁频率来复现长度单位米，并作为实用的长度基准或光频标准。铯-133原子的超精细结构分量之间的跃迁的频率现已用于定义时间单位秒，其频率复现性已达10－15量级；激光频率测量的准确度也已达到10－14量级。因此，频率是当今人类测量中最准确的物理量。

可与频率媲美的不变量就是基本物理常数。由于它们的数值不随地点和时间而异，即在世界各地及宇宙空间内可以普遍适用。如真空中光速c是一个基本物理常数，无论是普照大地的太阳之光，来自遥远银河的恒星之光，或是万家灯火的电光，若隐若显的萤火之光，其光速是同样的数值。基本物理常数的不变性反映了自然界的一种规律性。许多物理理论和定律中都含有重要的基本物理常数，如相对论的公式中含有真空中光速c，量子力学的许多公式中含有普朗克常数h，引力定律中含有引力常数G等。

基本物理常数有很好的恒定性使其可以用于定义基本单位。长度和电单位已采用基本物理常数来重新定义或复现。随着科学技术的迅速发展，将来会有更多的基本单位采用这种方法来重新定义或复现，即用相应的确定频率和基本物理常数作为不变量来定义和复现基本单位。

基本物理常数

物理学家和计量学家的目标是不断探索新的更完善的不变量作为基本单位的定义。不变量越是恒定，才能觉察和探索自然界任何细微变化的规律。

国际科技数据委员会（CODATA）2006年推荐的平差的基本物理常数值包括了20个基本物理常数和两个转换因子。

空间尺度

宇宙范围极限：1.00×1027m

超星系团：1.00×1025m

银河系半径：7.6×1022m

光年的距离：1.00×1016m

太阳半径：7×108m

地球半径：6×106m

人类平均身高：1.5m

人类红细胞直径：1.00×10－5m

细菌线度：1.00×10－8m

原子线度：1.00×10－9m

原子核线度：1.00×10－14m

基本粒子线度：1.00×10－16m

简表