馮·克里津

克里津1943年6月出生，1962年進入德國布朗許瓦格技術大學學習物理，1972年在維爾茲堡物理學所獲得博士學位。1980年，他到德國慕尼黑技術大學任教，1984年出任德國馬克斯―普朗克學會固體研究所所長。 2004年3月，馮·克里津（K． v． Klitzing）博士應邀來華，在位於北京的中德科學研究中心為公眾作了題為《物理學與計量學——從商代的長度計量單位到量子霍爾效應的應用》的科普報告。從4000多年前中國商代的長度和重量的計量單位到古埃及和印度用於計量時間的日規、水錶，他講述了計量學演化的過程，以及量子霍爾效應在確定新計量單位中的應用前景。

霍爾效應是1879年美國物理學家霍爾（Edwin Hall）研究載流導體在磁場中導電的性質時發現的一種電磁效應。他在長方形導體薄片上通以電流，再沿電流的垂直方向加上磁場，然後發現在導體兩側與電流和磁場均垂直的方向上產生了電勢差。這個效應後來被廣泛應用於半導體研究。1980年，馮·克里津從金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)發現了一種新的量子霍爾效應。他在硅MOSFET管上加兩個電極，再把這個硅MOSFET管放到強磁場和極低温下，發現霍爾電阻隨柵壓變化的曲線上出現了一系列平台，與這些平台相應的霍爾電阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整數1，2，3……。也就是説，這些平台是精確給定的，是不以材料、器件尺寸的變化而轉移的。它們只是由基本物理常數h(普朗克常數)和e(電子電荷)來確定。

量子霍爾效應是繼1962年約瑟夫森效應發現之後又一個對基本物理常數有重大意義的固體量子效應。它是20世紀以來凝聚態物理學和有關新技術(包括低温、超導、真空、半導體工藝、強磁場等)綜合發展加上馮·克利青創造性的研究工作所取得的重要成果。

計量學是研究測量的科學，它是科學知識的獲取和應用等許多人類活動的重要基地，重量和長度的法定體系是調節貿易的基本標準。英國物理學家、熱力學第二定律的建立者開爾文勳爵曾經説：“當你能夠對所説事物進行測量並用數字表達時，你對它就有所認識了。”

大自然為人類提供了不同的時間計量單位。至少在5000年前，巴比倫人與埃及人就已經開始用日、月、星辰測量時間。他們制定曆法，組織協調居民活動和公眾事件，更重要的是決定播種與收成的時間。他們的歷法基於三種自然循環：地球自轉所產生的晝夜週期（日）；月球繞地球公轉的朔望週期（月）；地球繞太陽公轉的四季週期（年）。而身體的重量和長度則成為古代人們的計算長度和重量基準。

在古代，月亮的盈虧比季節的變遷更為明顯，因此低緯度社會所發展出來的歷法受到月亮週期的影響要大於太陽。在較北的地區，由於農業與季節的關係密切，於是太陽年就格外重要。當羅馬帝國往北延伸後，羅馬曆法的組成大部分以太陽年為基礎。在古埃及人的歷法中，每月有30天，一年有12個月，再加上額外的五天以逼近太陽年。他們發現每隔365天，天狼星就會在日出之前升起，有12個星宿橫跨星空，這時尼羅河就要開始氾濫。由於古埃及人認為12星宿的出現意義重大，促使他們發明一種系統，將黑夜分成12個單位，後來白晝也同樣分成12等份。為了計量一天時間的變化，古埃及人又發明了日規，利用太陽長度或角度的變化來將白天分成不同部分，即小時；夜晚則用水鍾中流出的水量來測量晚上的時間。在今天印度的齋浦爾，還保留有高精確度的日規，從18世紀開始的沙漏計時就是來源於水鍾計時的原理。

那麼，人們怎樣計量長度和重量呢？早在4000多年前的中國，夏代開國之祖夏禹就以自己身體的長度和重量作為計量的標準。古埃及王以曾以自己身體各個部位的長度作為計量單位。在英文中，“足”與長度計量單位“英尺”是同一概念，都是由foot來表示的，因為歐洲的人們是用足的長度來作為長度計量單位的。但是不同的“足”有不同的“英尺”，200多年前，德國的每一個城市都有自己的“足”所確定的“英尺”，柏林的“英尺”最長，為39．09釐米，海德爾堡的“英尺”最短，只有27．86釐米，當時的德國有40多個不同的“英尺”單位。

不同的計量單位帶來了交易和兑換的種種麻煩，人類為統一計量單位作了種種努力。2200多年前，中國的秦始皇建立了中國歷史上第一個大一統的封建國家，他最重要的一項貢獻就是在一個國家的範圍內統一了度量衡和文字。那麼，能不能制定一個可以讓全世界各個國家都可以接受的全球計量單位呢？科學家發現，地球就是標準計量單位的理想參照系。

1790年8月，法國科學院提出應統一全世界的計量單位，法國科學家創建了“米制”，它以經過巴黎地球子午線的四千萬分之一作為長度單位，定名為米；以米的十分之一長度的立方作為容量單位，定名為“立特”（升），以一立方分米的純水在攝氏4度時的重量（質量）作為重量單位，定名為千克（公斤）。這種制度是十進位制，完全以“米”為基礎，因此得名為“米制”。法國政府根據科學家實地測定敦刻爾克到巴塞羅那之間地球子午線的弧長和給定體積純水的重量結果，製成鉑基準米尺和鉑基準千克，並從法律上賦予這兩個基準以“1米”和“1千克”的值。1875年5月20日，在法國政府召開的“米制外交會議上”，17個國家的代表簽字公認米制為國際通用的計量單位制。中國在1928年加入該公約。

儘管“米制”已成為國際計量單位，但由於傳統和文化的原因，歐美仍然有使用“英制”的習慣。計量單位的不統一帶來的不只是麻煩。1999年9月，美國國家航天局？NASA？發射的火星軌道者號太空船按計劃進入火星軌道繞行並探測火星氣候，然而，這架太空船還沒有到達目的地就在太空中燒燬了。1999年12月公佈的調查表明事故原因為“導航數據中英制和公制單位的互相混淆”。製造這架太空飛船的工程師使用的是英制單位，而NASA導航系統使用的是公制單位，從而將英制數據輸入了採用公制數據的計算機系統，從而導致了導航的錯誤，這個錯誤的代價是1．25億美元。

在米制被確立為國際通用計量單位制後，科學們發現地球的性質還沒有穩定到足以制定精確、恆定的長度和質量計量單位，因為地球的重力和子午線的長度在不同的緯度都略有不同。1899年，馬克斯·普朗克在研究黑體輻射時引入了一個新的物理常數――普朗克常數，他幾乎同時發現將這個常數與光速和牛頓常數進行組合可以得到長度、質量、時間和能量的單位。今天，1秒的單位是以原子鐘來確定的，1米的單位是以光速來確定的，1公斤的單位是以國際公斤原器的質量確定的，1安培的單位是由電磁力確定的。

將來還會有更精確的計量單位嗎？克里津説，量子霍爾效應該能夠用於質量單位公斤的新定義。