精密测量物理：精度起决定作用的物理学 | NSR专题

Original 《国家科学评论》中国科学杂志社 2022-05-03

2020年12月，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）出版了“精密测量物理”专题。以下为专题特邀编辑詹明生、谢心澄撰写的特邀编者按（中文翻译版），及专题文章目录。

没有测量就没有科学。现代科学是在“假设-检验-模型-理论”的循环过程中建立和发展起来的。物理和测量密不可分。精密测量是指在现有的物理框架下，利用先进的技术和方法追求高精度。精密测量物理是以更高的精度检验现有物理学的范围，并试图找出框架的极限，从而发现新的物理。换句话说，精密测量物理是精度起决定作用的物理学。众所周知，将测量精度提高一个数量级往往会导致新的物理发现。早期对原子分立光谱线系列的观察催生了量子力学；原子光谱的精细结构与兰姆位移的发现分别为相对论量子力学以及量子电动力学（QED）的诞生奠定了实验基础。

物理测量是在约定的单位上得到数值，从而确定物理量的大小。物理量之间通过物理常数联系成为物理定律。因此，单位的定义、测量值的精度、物理常数的大小及制约关系是否成立，就成为了检验物理定律的关键，也是精密测量物理研究的核心内容。

单位是物理测量的基础，国际单位制（SI）是全球计量的基准及物理测量比对的基础。最近国际单位制发生了一次新的变革。四个SI基本单位，公斤、安培、开尔文和摩尔，分别由普朗克常数h，基本电荷常数e，玻尔兹曼常数k和阿伏伽德罗常数NA定义。这是计量史上的一个新里程碑。在王谨撰写的访谈文章中[nwz211]，李天初讲述了秒和米的量子化和常数定义的故事，并解释了四个单位的重新定义及其对精密测量的意义。

基本物理常数是物理学中的一些普适常数，如与自然界基本相互作用和物理基本定律有关的耦合常数，引力常数G，精细结构常数α，普朗克常数h和光速c。这些常数中，精确确定G被认为是最困难的。一个新的和到目前为止最准确的G已经由罗俊和其同事们在2018年使用两种独立的方法给出。他们的文章全面回顾了G测量的历史[nwaa165]。卢征天对这项工作进行了精彩点评[nwz210]。

物理定律是用物理常数联系起来的物理量之间的相互关系。少电子原子分子体系提供了理想的QED模型与物理常数制约关系的检验平台。精密的计算可以给出QED预言的理论值，而其中需要用到质子-电子质量比m_p/m_e、精细结构常数α及里德堡常数R_∞等。理论计算值与精密光谱实验测量值的比较，既可以检验QED理论与常数之间的自洽性，也可以发现其中谁是影响检验精度的“短板”（水桶效应）。最近，由胡水明领导的小组通过激光光谱测量了氦的精细结构分裂，达到了很高的精度。他们的结果与QED直到m_eα⁷的计算结果吻合得很好[nwaa216]。严宗朝对该项工作进行了点评，对未来进行了展望[nwz186]。

原子频标（原子频率标准的简称，又称原子钟）代表了测量精准度的最前沿。精密测量物理的发展一直是以时间和频率的精密测量所引领的。原子频标精度的提高带动其他基本物理量定义、物理常数测量和物理定律检验精度的提高。近年来，时间频率领域的研究飞速发展。本专题邀请了三个代表性的工作，分别是：全球首个在轨运行的冷原子钟（刘亮等[nwaa215]）；首个中国的光钟，也是目前首个稳定度进入10^-18的钙离子光钟（高克林[nwaa119]）；原子频率比对过程中必不可少的高精度分频技术（马龙生[nwz209]）。

上述所列各项工作，虽然都基于中国团队，但无不代表着精密测量物理的国际前沿。我们感谢各位作者为本专题所做的贡献。有点遗憾的是，由于时间及篇幅所限，还有一些重要的相关的进展还没有来得及纳入，例如等效原理检验、原子干涉仪、中性原子光钟等。我们期望这些可以在未来有机会予以考虑。

专题文章

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Special Topic: Precision Measurement Physics

GUEST EDITORIAL

Precision measurement physics: physics that precision matters

Mingsheng Zhan and Xincheng Xie

Natl Sci Rev 2020; 7: 1795

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

RESEARCH HIGHLIGHTS

New determination of the gravitational constant G

Zheng-Tian Lu