导读：张金涛研究员，现任中国计量科学研究院接触测温室主任和声学法玻尔兹曼常数测量课题组负责人，从事温度计量国际前沿尖端基础研究。自2006年以来，他带领课题组从事国际计量界具有里程碑意义的计量科学基础研究课题——玻尔兹曼常数重新定值和开尔文重新定义。课题研究对于我国在温度单位开尔文的重新定义和国际温标的热力学温度赋值上拥有话语权，以及使得我国在国际温度计量研究领域的前沿占有一席之地具有重大意义。由于成绩突出，经中国计量测试学会推荐，2014年被中国科协评为第六届“全国优秀科技工作者”。近日，中国计量测试学会有幸采访了张金涛研究员。

学会：人们通常习惯使用摄氏度来表示温度，而不用开尔文表示温度，对于温度计量方面了解的较少，请您讲一讲有关这方面的知识。

张金涛：开尔文是热力学温度单位，它是国际单位制（SI）七个基本单位之一，其量值被准确、稳定、一致地复现，是保证全球范围温度测量一致和准确的前提。自七十年代以来，开尔文被定义为水三相点热力学温度的1/273.16。水三相点是指纯水的固、液、汽三相平衡共存时的状态，该点的热力学温度为273.16 K，当前它是开尔文的定义固定点。依据现行国际温标（ITS-90）摄氏温度t与热力学温度T有如下的换算关系：T=t + 273.16。

从原理上讲，水三相点是自然常数，具有唯一性。然而，国际计量界的系列科学研究和国际计量委员会温度咨询委员会组织开展的水三相点国际关键比对的结果都显示，水的氢氧同位素丰度，即水的氢、氧元素的同位素的相对比例，与水源和蒸馏过程有密切的关系；此外，在水三相点容器的长期存放期间，器壁的钠元素会溶入纯水，这些因素都会使得不同容器复现的水三相点的温度之间有一定的不一致性。

学会：请您给我们简单介绍一下“玻尔兹曼常数重新定义”课题研究的背景和意义。

张金涛：上世纪70年代起，随着现代物理理论和精密实验技术的发展，国际计量界尝试着将时间和长度的单位定义在自然基本常数上，而不是实物原器上，如时间单位秒定义在自然基本常数，铯133同位素原子的基态在热力学温度0 K的超精细分裂频率上；长度单位米则被定义在自然基本常数真空中的光速上。这两个定义的实施，大幅度地改善了秒和米定义的精密性、稳定性和一致性。2005年国际计量界知名学者们建议，将其余几个基本单位全部定义在物理基本常数上，从而改变了基本单位自有定义以来依赖于实物基准的历史。实施基本单位的新定义，无疑是国际计量界历史上具有划时代意义的事件。一旦基本单位新定义依据的物理基本常数的值被“冻结”，复现基本单位就不再与任何实物的物理性质发生关系。

玻尔兹曼常数是物理基本常数，用k_B表示。根据统计物理理论，平衡态系统的各个能态的粒子数密度有确定的分布，系统的平均能量与k_BT有确定的关系。因此，系统的平均能量既可以被k_BT量测，也可以被T量测，此时k_B的作用为转换系数（常数）。玻尔兹曼常数k_B新定义表达的物理含义是，固定k_B值，通过测量处于平衡态的系统的平均能量确定k_BT，从而确定其对应的开尔文量值T。这样，任何平衡态系统的热力学温度开尔文的确定与任何物质的形态和性质无关。

学会：目前，国际计量界在玻尔兹曼常数重新定义测定方面已经达到的水平如何？您带领的课题组取得了哪些突破性的成果？

张金涛：准确地测量平衡态系统的平均能量是技术复杂难度大、非常耗时的研究，是对该领域现有计量知识和技术的挑战。没有现成的商品化实验设备可实现热力学温度的直接测量。目前，世界上只有极少数实验室有能力研制这类技术尖端的实验系统。

2013年国际科技数据委员会（CODATA）对历史上的玻尔兹曼常数测量数据进行了评估，根据CODATA的基本常数调整值平差规则，当前有5个国家计量实验室：美国国家标准技术研究院（NIST）、英国国家物理实验室（NPL）、法国国家计量院（LNE）、中国计量科学研究院（NIM）和德国国家物理技术研究院（PTB）的测定值将对k_B的正式调整值有贡献。其中，美国NIST贡献的k_B的不确定度为1.8´10^-6，英国NPL和法国LNE的分别为0.7´10^-6和1.2´10^-6的结果（但这两个结果的不确定度限没有交集），德国PTB的为4.3´10^-6。

我们课题组和美国NIST建立了合作研究关系，在2011年和2013年分别联合发表了两次测量结果，不确定度分别是7.9´10^-6和3.7´10^-6。在2014年末，我们这个联合团队又获得一个新结果，不确定度达到2.3´10^-6，将于2015年发表。

学会：该课题研究在国际温度计量界能够取得如此重要影响力的成绩，其经验是什么？课题研究中有哪些创新性研究？

张金涛：成绩的取得与研究团队每个人的贡献密不可分。团队的年轻同事林鸿、冯晓娟为此付出了大量的精力，他们是该课题研究的关键力量；联合团队的NIST科学家具有丰富的理论知识和实验经验，为课题研究获得突破性进展起到了重要作用。我个人认为课题研究取得好成绩来自于三个主要方面：一是选题正确，既具有创新性，又结合了国内现实的技术能力；二是团队组织结构合理有序、运行效率高，能够最大限度地发挥每个人的潜能，尽可能地降低了内耗；三是融入国际学界的主体里，广泛地开展国际交流，博采众长，吸纳各方有益的研究经验和技术。

课题研究在原理上的创新主要表现在，我们在国际上首次提出并采用了定程圆柱声学共鸣法测定玻尔兹曼常数的方案，该方案不同于国际同行的方案。在此基础上，研究团队在国际上首创了差分定程圆柱声学共鸣法，该方法的核心是自动消减某些关键的、不能被很好地修正的非理想因素扰动作用，使得声学共鸣法测量k_BT更客观准确。

技术创新主要表现在，研究团队在国际上首次建立了单定程圆柱声学共鸣基准热力学温度计非理想因素扰动的修正体系，和差分定程圆柱声学共鸣法测量理想气体声速的理论体系；在国际上首次设计建造了测量不确定度达到10^-6级别的圆柱声学共鸣基准热力学温度计；国际上首次在10^-7准确度级别的声学共鸣频率测量中，采用压电陶瓷激励和接收声信号的技术方案；研制了精密套管式温度计外部热环境部件，使得温度计在水三相点的年稳定性达到30 mK以内，并且使温度计在校准和使用时外部环境热阻相等。

学会：您的工作经历丰富，请您谈一谈对年轻的计量科研工作者有哪些研究工作方面的建议？

张金涛：我个人认为年轻人首先应拓展所从事的计量研究学科需要的基础理论知识面，应具备比较广博的基础知识。如从事物理计量研究，应该拓展物理学的知识面，加深数理基础。第二，应该具备较好的英语口语表达能力，积极主动地与国外顶级研究学者建立密切的联系，博采众长，了解所从事学科前沿的最新动态和发展方向，掌握先进的研究方法和借鉴经验。 第三，对自己的研究能力要有信心，俗话说“不怕慢，只怕站”，相信只要研究方向正确，在工作上持之以恒、坚持不懈，定会有所收获。第四，应充分地阅读分析国外最新文献、调研国内实际技术能力的基础上，制定切实可行的研究方案。研究路线的错误是致命的错误，应尽可能地避免。第五，作为课题负责人，善于听取各方面的意见、独立分析判断，在关键技术问题上能够做出正确的决断，有勇气和信心承担责任，不推卸责任从而不挫伤课题组成员的信心和凝聚力。第六，使用通用测量仪器，但坚持自主研制核心实验系统。对于计量科学工作者来说，丧失自主研制关键核心计量实验系统的能力，实质上是对国际垄断仪器生产商的研发人员俯首称臣，放弃进入所从事研究领域前沿的条件，失去对测量不确定度做全面判断的能力。尖端商业仪器的研发人员应该从顶尖的计量科学家那里学习尖端的计量知识和技术，而非相反。

学会：您和您的课题组在该研究领域下一步研究的目标和未来的发展方向是什么？

张金涛：近两三年，采用新的差分定程圆柱声学共鸣基准热力学温度计，进一步改善k_B测定的不确定度，使得中国计量科学研究院的测定值在国际计量委员会k_B的最终定值中占据尽可能大的权重。

       此外，逐步将我们在研究中所获得的知识、技术和装备，应用于测定国际温标缺乏的高温热力学温度，以期在国际温标的修订中，给出中国计量科学研究院有影响力的贡献；开发非常规的温度测量和在线校准仪器，满足国内一些重点行业的特殊计量和测量的尖端技术需求；将先进的计量知识和技术应用于节能降耗、温室气体监测等社会重大需求的领域中。