冯·克里津（德国物理学家，发现量子霍尔效应）

冯·克利津（又译冯·克利青Klaus von Klitzing, 1943-）因发现量子霍尔效应，获得了1985年度诺贝尔物理学奖。霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。此效应广泛地用于半导体。百年后的1980年，克里津从金属―氧化物半导体场效应电晶体中发现了量子霍尔效应。

人物成就

诺贝尔物理学奖获得者

克里津1943年6月出生，1962年进入德国布朗许瓦格技术大学学习物理，1972年在维尔兹堡物理学所获得博士学位。1980年，他到德国慕尼黑技术大学任教，1984年出任德国马克斯―普朗克学会固体研究所所长。 2004年3月，冯·克里津（K． v． Klitzing）博士应邀来华，在位于北京的中德科学研究中心为公众作了题为《物理学与计量学——从商代的长度计量单位到量子霍尔效应的应用》的科普报告。从4000多年前中国商代的长度和重量的计量单位到古埃及和印度用于计量时间的日规、水表，他讲述了计量学演化的过程，以及量子霍尔效应在确定新计量单位中的应用前景。

霍尔效应

霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，再沿电流的垂直方向加上磁场，然后发现在导体两侧与电流和磁场均垂直的方向上产生了电势差。这个效应后来被广泛应用于半导体研究。1980年，冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍尔电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。

量子霍尔效应

量子霍尔效应是继1962年约瑟夫森效应发现之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。它是20世纪以来凝聚态物理学和有关新技术(包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等)综合发展加上冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。

贡献理论

计量学

计量学是研究测量的科学，它是科学知识的获取和应用等许多人类活动的重要基地，重量和长度的法定体系是调节贸易的基本标准。英国物理学家、热力学第二定律的建立者开尔文勋爵曾经说：“当你能够对所说事物进行测量并用数字表达时，你对它就有所认识了。”

不同的时间计量单位

大自然为人类提供了不同的时间计量单位。至少在5000年前，巴比伦人与埃及人就已经开始用日、月、星辰测量时间。他们制定历法，组织协调居民活动和公众事件，更重要的是决定播种与收成的时间。他们的历法基于三种自然循环：地球自转所产生的昼夜周期（日）；月球绕地球公转的朔望周期（月）；地球绕太阳公转的四季周期（年）。而身体的重量和长度则成为古代人们的计算长度和重量基准。

古代的时间计量方法

在古代，月亮的盈亏比季节的变迁更为明显，因此低纬度社会所发展出来的历法受到月亮周期的影响要大于太阳。在较北的地区，由于农业与季节的关系密切，于是太阳年就格外重要。当罗马帝国往北延伸后，罗马历法的组成大部分以太阳年为基础。在古埃及人的历法中，每月有30天，一年有12个月，再加上额外的五天以逼近太阳年。他们发现每隔365天，天狼星就会在日出之前升起，有12个星宿横跨星空，这时尼罗河就要开始泛滥。由于古埃及人认为12星宿的出现意义重大，促使他们发明一种系统，将黑夜分成12个单位，后来白昼也同样分成12等份。为了计量一天时间的变化，古埃及人又发明了日规，利用太阳长度或角度的变化来将白天分成不同部分，即小时；夜晚则用水钟中流出的水量来测量晚上的时间。在今天印度的斋浦尔，还保留有高精确度的日规，从18世纪开始的沙漏计时就是来源于水钟计时的原理。

计量长度和重量

那么，人们怎样计量长度和重量呢？早在4000多年前的中国，夏代开国之祖夏禹就以自己身体的长度和重量作为计量的标准。古埃及王以曾以自己身体各个部位的长度作为计量单位。在英文中，“足”与长度计量单位“英尺”是同一概念，都是由foot来表示的，因为欧洲的人们是用足的长度来作为长度计量单位的。但是不同的“足”有不同的“英尺”，200多年前，德国的每一个城市都有自己的“足”所确定的“英尺”，柏林的“英尺”最长，为39．09厘米，海德尔堡的“英尺”最短，只有27．86厘米，当时的德国有40多个不同的“英尺”单位。

用“地球”统一计量单位

不同的计量单位带来了交易和兑换的种种麻烦，人类为统一计量单位作了种种努力。2200多年前，中国的秦始皇建立了中国历史上第一个大一统的封建国家，他最重要的一项贡献就是在一个国家的范围内统一了度量衡和文字。那么，能不能制定一个可以让全世界各个国家都可以接受的全球计量单位呢？科学家发现，地球就是标准计量单位的理想参照系。

1790年8月，法国科学院提出应统一全世界的计量单位，法国科学家创建了“米制”，它以经过巴黎地球子午线的四千万分之一作为长度单位，定名为米；以米的十分之一长度的立方作为容量单位，定名为“立特”（升），以一立方分米的纯水在摄氏4度时的重量（质量）作为重量单位，定名为千克（公斤）。这种制度是十进位制，完全以“米”为基础，因此得名为“米制”。法国政府根据科学家实地测定敦刻尔克到巴塞罗那之间地球子午线的弧长和给定体积纯水的重量结果，制成铂基准米尺和铂基准千克，并从法律上赋予这两个基准以“1米”和“1千克”的值。1875年5月20日，在法国政府召开的“米制外交会议上”，17个国家的代表签字公认米制为国际通用的计量单位制。中国在1928年加入该公约。

尽管“米制”已成为国际计量单位，但由于传统和文化的原因，欧美仍然有使用“英制”的习惯。计量单位的不统一带来的不只是麻烦。1999年9月，美国国家航天局？NASA？发射的火星轨道者号太空船按计划进入火星轨道绕行并探测火星气候，然而，这架太空船还没有到达目的地就在太空中烧毁了。1999年12月公布的调查表明事故原因为“导航数据中英制和公制单位的互相混淆”。制造这架太空飞船的工程师使用的是英制单位，而NASA导航系统使用的是公制单位，从而将英制数据输入了采用公制数据的计算机系统，从而导致了导航的错误，这个错误的代价是1．25亿美元。

在米制被确立为国际通用计量单位制后，科学们发现地球的性质还没有稳定到足以制定精确、恒定的长度和质量计量单位，因为地球的重力和子午线的长度在不同的纬度都略有不同。1899年，马克斯·普朗克在研究黑体辐射时引入了一个新的物理常数――普朗克常数，他几乎同时发现将这个常数与光速和牛顿常数进行组合可以得到长度、质量、时间和能量的单位。今天，1秒的单位是以原子钟来确定的，1米的单位是以光速来确定的，1公斤的单位是以国际公斤原器的质量确定的，1安培的单位是由电磁力确定的。

将来还会有更精确的计量单位吗？克里津说，量子霍尔效应该能够用于质量单位公斤的新定义。