精密測量物理:精度起決定作用的物理學|NSR專題

2021-01-08 騰訊網

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2020年12月，《國家科學評論》（National Science Review, NSR）出版了「精密測量物理」專題。以下為專題特邀編輯詹明生、謝心澄撰寫的特邀編者按（中文翻譯版），及專題文章目錄。

沒有測量就沒有科學。現代科學是在「假設-檢驗-模型-理論」的循環過程中建立和發展起來的。物理和測量密不可分。精密測量是指在現有的物理框架下，利用先進的技術和方法追求高精度。精密測量物理是以更高的精度檢驗現有物理學的範圍，並試圖找出框架的極限，從而發現新的物理。換句話說，精密測量物理是精度起決定作用的物理學。眾所周知，將測量精度提高一個數量級往往會導致新的物理發現。早期對原子分立光譜線系列的觀察催生了量子力學；原子光譜的精細結構與蘭姆位移的發現分別為相對論量子力學以及量子電動力學（QED）的誕生奠定了實驗基礎。

物理測量是在約定的單位上得到數值，從而確定物理量的大小。物理量之間通過物理常數聯繫成為物理定律。因此，單位的定義、測量值的精度、物理常數的大小及制約關係是否成立，就成為了檢驗物理定律的關鍵，也是精密測量物理研究的核心內容。

單位是物理測量的基礎，國際單位制（SI）是全球計量的基準及物理測量比對的基礎。最近國際單位制發生了一次新的變革。四個SI基本單位，公斤、安培、開爾文和摩爾，分別由普朗克常數h，基本電荷常數e，玻爾茲曼常數k和阿伏伽德羅常數NA定義。這是計量史上的一個新裡程碑。在王謹撰寫的訪談文章中[nwz211]，李天初講述了秒和米的量子化和常數定義的故事，並解釋了四個單位的重新定義及其對精密測量的意義。

基本物理常數是物理學中的一些普適常數，如與自然界基本相互作用和物理基本定律有關的耦合常數，引力常數G，精細結構常數α，普朗克常數h和光速c。這些常數中，精確確定G被認為是最困難的。一個新的和到目前為止最準確的G已經由羅俊和其同事們在2018年使用兩種獨立的方法給出。他們的文章全面回顧了G測量的歷史[nwaa165]。盧徵天對這項工作進行了精彩點評[nwz210]。

物理定律是用物理常數聯繫起來的物理量之間的相互關係。少電子原子分子體系提供了理想的QED模型與物理常數制約關係的檢驗平臺。精密的計算可以給出QED預言的理論值，而其中需要用到質子-電子質量比mp/me、精細結構常數α及裡德堡常數R∞等。理論計算值與精密光譜實驗測量值的比較，既可以檢驗QED理論與常數之間的自洽性，也可以發現其中誰是影響檢驗精度的「短板」（水桶效應）。最近，由胡水明領導的小組通過雷射光譜測量了氦的精細結構分裂，達到了很高的精度。他們的結果與QED直到meα7的計算結果吻合得很好[nwaa216]。嚴宗朝對該項工作進行了點評，對未來進行了展望[nwz186]。

原子頻標（原子頻率標準的簡稱，又稱原子鐘）代表了測量精準度的最前沿。精密測量物理的發展一直是以時間和頻率的精密測量所引領的。原子頻標精度的提高帶動其他基本物理量定義、物理常數測量和物理定律檢驗精度的提高。近年來，時間頻率領域的研究飛速發展。本專題邀請了三個代表性的工作，分別是：全球首個在軌運行的冷原子鐘（劉亮等[nwaa215]）；首個中國的光鍾，也是目前首個穩定度進入10-18的鈣離子光鍾（高克林[nwaa119]）；原子頻率比對過程中必不可少的高精度分頻技術（馬龍生[nwz209]）。

上述所列各項工作，雖然都基於中國團隊，但無不代表著精密測量物理的國際前沿。我們感謝各位作者為本專題所做的貢獻。有點遺憾的是，由於時間及篇幅所限，還有一些重要的相關的進展還沒有來得及納入，例如等效原理檢驗、原子幹涉儀、中性原子光鍾等。我們期望這些可以在未來有機會予以考慮。

專題文章

Special Topic: Precision Measurement Physics

GUEST EDITORIAL

Precision measurement physics: physics that precision matters

Mingsheng Zhan and Xincheng Xie

Natl Sci Rev2020; 7: 1795

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa271

RESEARCH HIGHLIGHTS

New determination of the gravitational constantG

Zheng-Tian Lu

Natl Sci Rev2020; 7: 1796–1797

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz210

Atomic physics determination of the fine structure constant

Zong-Chao Yan

Natl Sci Rev2020; 7: 1797–1798

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz186

PERSPECTIVES

The40Ca+ion optical clock

Kelin Gao

Natl Sci Rev2020; 7: 1799–1801

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa119

Optical frequency division

Yuan Yao, Yanyi Jiang and Longsheng Ma

Natl Sci Rev2020; 7:1801–1802

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz209

REVIEWS

Precision measurement of the Newtonian gravitational constant

Chao Xue, Jian-Ping Liu, Qing Li, Jun-Fei Wu, Shan-Qing Yang, Qi Liu, Cheng-Gang Shao, Liang-Cheng Tu, Zhong-Kun Hu and Jun Luo

Natl Sci Rev2020; 7:1803–1817

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa165

Precision spectroscopy of atomic helium

Yu R. Sun and Shui-Ming Hu

Natl Sci Rev2020; 7:1818–1827

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa216

Development of a space cold atom clock

Wei Ren, Tang Li, Qiuzhi Qu,Bin Wang, Lin Li, Desheng Lü, Weibiao Chen and Liang Liu

Natl Sci Rev2020; 7: 1828–1836

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa215

INTERVIEW

New SI and precision measurements: an interview with Tianchu Li

Jin Wang

Natl Sci Rev2020; 7: 1837–1840

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz211

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