精密测量物理和方法
香山科学会议第327次学术讨论会综述
精密测量物理是多学科交叉的学科基础，同时也是科学前沿问题，对科学发展能提供有力的支撑和促进作用。精密测量有效数字每提高一位，往往预示着新的物理效应或自然规律，现代物理学就是在不懈地追求精密中发展起来的。过去几十年，精密测量物理与方法在欧美等发达国家发展较快，取得了一系列重要突破，拓展了人类对客观物理世界的认识。与此同时，精密测量物理与方法在不同领域和社会需求等方面的广泛应用正在逐步改变着人们的生活。可以预计，精密测量物理还将继续取得更大的进展，从而在认识客观物理世界和满足国家重大需求等方面开创新的时代。我国精密测量物理在相关部门的持续支持和科研人员的长期努力下取得了一些进展，局部领域达到国际先进行列，但整体上与国际水平还存在很大差距。
为了凝练精密测量物理的科学问题和探讨我国精密测量物理与方法的发展思路，2008年7月13日至15日香山科学会议在武汉华中科技大学召开了主题为“精密测量物理和方法”第327次学术讨论会。叶朝辉研究员、李家明教授和罗俊教授担任本次会议的执行主席，国内外40多位专家学者应邀参加了会议。与会专家围绕“精密测量物理的发展趋势”、“时间和频率标准”、“基本物理常数测量”、“极端条件下精密物理测量”、“精密物理测量的应用”和“物理测量与科学仪器”等会议中心议题进行了交流和讨论，并就如何进一步加强我国精密测量物理与方法的研究工作提出了建议。
一、精密测量物理的发展趋势
叶朝辉研究员在“精密测量物理的现状与趋势”的主题评述报告中指出，本次会议的主题是与精密测量相关的基本物理问题和技术手段，集中探讨精密测量物理自身的发展前景及其对其它科学的推动；概述了精密测量物理与方法的科学意义和应用前景、国内外现状和发展趋势，指出精密测量物理需要“看清楚，说明白： 实验上精密测量，理论上细说明白”。 叶朝辉研究员指出，精密测量未来还将取得更大的进展，从而在基本物理常数测量，基本物理定律检验以及国家重大战略需求等方面开创新的时代。
李家明教授作了以“我国精密原子分子物理发展的一些思考”为题的报告，他回顾了20世纪我国原子分子物理的发展，展望了21世纪我国精密原子分子物理的发展趋势，提出精密原子分子物理的发展，最重要的是精密测量实验研究的发展，如精密谱测量、时间和频率标准、原子量子态的测量等，并强调理论研究在精密测量物理中的重要价值。
罗俊教授在以“精密测量物理及应用”为题的报告中，概述了基本物理量的精确测量、物理规律的高精度实验检验、精密测量物理的应用等三个方面内容，初步提出了精密测量物理的内涵包括运用高精度的测量技术精确测量基本物理量、检验物理学中的基本规律，研究精密测量过程中的物理问题，发展并改进精密测量技术等主要方面。
与会专家在分析了精密测量物理的发展历史、国内外现状以及发展趋势后指出，我国目前有必要也有能力大力发展精密测量物理这一重要学科。
二、时间和频率标准
高准确度的时间频率标准是精密测量和探索研究基本物理问题的关键和基础，同时在国防和民用等实际应用中占有十分重要的地位。与会专家指出，目前实用频标以微波钟为主，主要以铯、铷和氢三种原子作为工作物质，采用原子状态与微波辐射场相互作用的频率标准。实用频标的性能改进主要在于两个方面：一是基本性能指标上的改进，即提高频率稳定度与准确度；二是使用性能的改善，如可靠性、环境适应性的改善和体积重量的缩小等。
随着光梳和超高精度时间传递技术的发展，囚禁的单个离子和光晶格中的冷原子光频标研究发展迅速，已成为国际原子钟研究的前沿和热点领域。光钟要转化成实用的信号必须有光梳，因此发展超高精度的光梳是研究光钟的必要技术。长距离超高精度时间传递是实现不同地点的各类原子钟同步和比对的关键技术之一，国际上许多实验室已经开展或正在开展这方面的研究。美国JILA，NIST和Colorado大学的叶军教授实验室的锶光钟，稳定度已经进入 ，是目前国际上精度最高的光钟。
与会专家认为光频标是频率标准的发展趋势，当前实用频率标准以微波钟为主。我国相关单位在铷频标、铯频标、氢频标、冷原子喷泉频标、冷原子光频标、离子阱光频标和光梳等方面做了大量研究工作，但更合理的整体布局需进一步考虑。
三、基本物理常数测量
精密测量物理的重点方向之一是基本物理常数（例如牛顿万有引力常数、精细结构常数、普朗克常数、阿伏加德罗常数、玻尔兹曼常数等）的精确测量和基本物理量（例如质量、电压、电流等）的计量。中国计量科学研究院张钟华研究员以“基本物理常数与国际单位制的基本单位”为题，介绍了国际科学数据委员会基本常数任务组（CODATA）推荐基本物理常数情况，并通报CODATA收录中国测量的三个基本常数，即约瑟夫森常量、冯·克利青常量和牛顿万有引力常数。预计到二十一世纪中，与飞速发展的工农业和科学技术相适应，计量测试技术将有令人瞩目的新发展。计量研究的重点是基本单位的定义和复现。目前复现和保存国际单位制SI中的基本单位的经典方法是使用用实物基准，而实物基准具有稳定性不够高，难以准确复制等缺点，它将会逐步被新发展起来的量子基准所代替。为了更好地发挥量子基准的优点，国际计量委员会近年来提出了用固定几个基本物理常数的方法重新定义国际单位制中的基本单位，并预期将在2011年的24届国际计量大会上做出相应的决议。
原子核质量是原子核物理中最基本的物理量之一，对它的精确测量是核物理的一个重要任务。中国原子能科学研究院张焕乔研究员介绍了德国重离子研究所利用碎片分离器和实验储存环发展的肖特基质谱仪和等时性质谱仪的方法直接精密测量短寿命丰中子原子核的质量，并指出兰州HILF－CSR大科学装置实验环也具有这样的功能，我国这方面工作即将在兰州开展。美国阿贡国家实验室和芝加哥大学的卢征天教授以“氦原子的精密光谱”为题介绍了精密光谱在确定氦原子核参数上的重要应用。国外He-8原子核的电荷分布半径的首次确定是用原子谱的方法完成的，这表明精密谱测量将在核物理中有重要应用。
万有引力常数的精确测量不仅对认识引力相互作用性质、而且对地球物理学、天文学和宇宙学等都具有重要意义，同时能促进精密测量技术的发展。G作为最早被人类认识和测量的物理学基本常数，但精度迄今为止是最差的，它已成为目前物理学与计量学最关注的研究课题之一。麦克斯韦电磁理论中恒定光速的假设暗含光子静止质量必须为零；迄今为止，所有实验均是给出光子静止质量的上限，在更高精度下是否为零，仍需更高精度的实验检验。“等级问题”是目前将引力与其他三种基本相互作用统一起来的困难之一，时空存在额外维度的ADD理论能够解释这一问题，该理论预言在亚毫米范围牛顿反平方定律可能会出现偏离，但在该尺度下实验难度大、证据少。我国华中科技大学引力实验小组开展了万有引力常数G的精确测量、光子静止质量上限的实验检验和亚毫米作用程牛顿反平方定律的实验检验等方面的研究工作。
与会专家认为一个基本物理常数测量精度的提高需要长期的研究工作积累，这种工作不仅需要研究人员具有坚忍不拔的毅力，而且也需要相关管理部门的理解与持续不断的支持。我国学术界要关注与基本单位新定义有关的基本物理常数的测量工作，为国际计量委员会关于基本单位新定义的实施作好准备。
四、极端条件下精密物理测量
过去十多年，由于超高灵敏度、超快以及超冷等量子相干控制手段的飞速发展，人们在极端条件下精密物理测量方面的研究取得了前所未有的进展。极端条件下精密物理测量的研究可以加深人们对基本物理规律的理解，它的范围涵盖精确测量原子、分子和离子的精密谱，测量反常电子g因子，测量精细结构常数及其变化，精密测量电子电偶极矩，测量质子与电子质量比变化，还可以检验时间反演不变性和QED等物理理论。
激光冷却原子技术和激光光谱技术的迅速发展，推动了精密光谱和精密测量技术的进一步发展。特别是在本世纪初，冷原子物理与光场精密控制技术的有机结合，产生了一种新的原子钟技术，即冷原子光钟，使得人们对自然界的认识与理解有可能产生新的飞跃。离子阱技术是研究离子体系特性的理想手段之一，可应用于精密谱和基本物理常数测量等方面。近年来，随着冷原子物理与原子光学的快速发展，冷分子科学正在逐步形成，有关冷分子的量子调控、量子计算与精密测量的研究已成为目前国际上原子分子与光物理的前沿热门课题之一。此外，单原子控制和单光子测量技术的发展也是极端条件下精密物理测量的研究方向之一。
德国马普学会的光学信息及光子学研究所所长王力军教授介绍了离子阱在化学研究特别是制药、纳米粒子甚至单个细菌的束缚、频率标准等方面的重要应用。与会专家认为极端条件的精密物理测量发展迅速，我国在局域有一定基础，但整体还有较大差距，尤其是精密谱研究可以进一步大力发展。
五、精密物理测量的应用
精密测量物理是利用精密测量技术来开展物理学研究，同时利用物理学知识来进一步发展和推动精密测量技术的进步。精密物理测量具在提高GPS导航精度、重力场测量精度、基本物理单位定义等广泛领域具有重要的应用价值。
微波原子钟与光钟在空间物理有着广泛的应用前景，它不仅可以改进全球卫星定位导航系统如GPS，而且在深空跟踪和星座定位等深空科学上有着不可替代的作用。高精度空间加速度计不仅是开展空间引力实验检验的关键载荷之一，也是地球重力场测量、地球资源分布勘探、海洋环流和两极冰层覆盖等地球环境检测与研究的关键技术之一。基于冷原子干涉仪的高精度惯性传感器在地球重力和转动绝对测量等方面有重大的应用前景。基本物理常数精确测量的一个重要应用是国际单位制的改进，如国际计量委员会提出用基本物理常数重新定义国际单位制的基本单位。
与会专家认为精密物理测量的应用前景诱人，我国应大力发展相关研究，并早起步做前期基础研究。
六、物理测量与科学仪器
物理学是从测量开始的，科学仪器是精密测量的源头，是信息产业的重要组成部分，对促进国民经济、科学技术、公共安全、国防建设的发展都有巨大的推动作用，是经济社会发展的支柱性、战略性产业。现代科学仪器既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主体内容之一和创新成果的重要体现形式。科学仪器的发展水平标志着一个国家创新能力和科学技术发展的水平。近年来，随着精密测量物理的发展，促使世界科学仪器学科与技术的进展突飞猛进，新技术异彩纷呈，新产品不断涌现。另一方面，全球经济和社会发展不断对技术和仪器提出更多新的需求，使得与精密物理测量相关的科学仪器研究进入一个前所未有的高速发展期。
与会专家指出，精密物理测量主要依赖于精密测量仪器的发展，精密测量仪器主要分为两大类，即超高精度测量仪器或便携高精度测量仪器。超高精度测量仪器是实现物理量最高精度测量的仪器，通常体积较大，且价格昂贵。但这类仪器是所有物理量测量的最基本的仪器，是反映一个国家在精密测量领域的最高水平的仪器。而便携式（或小型化）高精度精密测量仪器可以在不同地点及不同时间对物理量进行精密测量，因此具有重要的应用价值。
人类对物理规律的探索永无止境，因而对精密物理测量的追求也永无止境。不断提高测量精度既深化了人类对大自然的认识，又发展了相关的技术和仪器，从而进一步延伸发展成科学仪器产业。而现代科学仪器产业又进一步推动科学的进步，成为科学—技术—产业—科学的良性循环发展模式。
七、加强我国精密测量物理与方法的研究
精密测量物理是利用精密测量技术开展物理学研究，同时利用物理研究进展来进一步发展和推动精密测量技术。精密测量物理的研究内容包括物理量精密测量、物理规律精密实验检验、利用物理学发展新的更精密的测量技术等方面。精密测量物理的显著特点是测量精度更高，能够在更高精度上检验物理规律或者测量物理常数。其目的是利用精密测量推动物理规律的认识和发现新的物理规律，或者利用物理学的知识来发展新的、更高精度的测量技术。
基于精密测量物理既是基础科学前沿领域，又是基础科学研究的基础。精密测量不仅在基础科学研究方面具有相当的重要性，而且还能服务于国家重大需求，同时可以派生出科学仪器产业。与会专家认为精密测量物理是交叉学科，也是基础学科中的基础。交叉固然是重要的，但往往容易被忽略。因此建议将精密测量物理新增为物理学下属的二级学科。在精密测量物理领域筹建若干个国家重点实验室，以推动我国精密测量物理全方面的发展。精密测量物理方向的研究工作属于基础中的基础，需要长时间的积累。为了对重要科学前沿问题进行长期深入的研究，需要研究人员和相关管理部门共同营造一个相对宽松的研究环境，探索一个保障精密测量物理高水平发展的评估体系。精密测量物理是难度很大的研究工作，需要多方面通力协作。建议组建国内外研究网络平台，加强相关单位和研究人员之间的合作，定期组织精密测量物理与方法学术研讨会议，推动精密测量物理学科蓬勃向前发展。精密测量物理需要很强的机械加工和电子技术的支撑。建议在高校和科研院所加大相关技术平台的建设力度，为精密测量物理研究配备专用的精密加工和电子技术等技术平台。精密测量物理研究工作需要持续、稳定地投入。建议国家相关部门尽早在精密测量物理研究方面做合理的布局，相关研究人员和单位就精密测量物理的科学问题提出相关研究计划。建议设立精密测量物理的仪器的相关研究计划，对精密测量物理相关研究给予重点支持。要加强精密测量物理领域的理论工作与实验工作相结合，共同推动精密测量物理跃上新台阶。
