修訂后的國(guó)際單位制獲得批準(zhǔn)

編譯 思羽

NIST-4，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的最新一代瓦特秤或基布爾秤，幫助計(jì)量學(xué)家聚焦于普朗克常數(shù)的值

2018年的11月16日，在法國(guó)凡爾賽召開(kāi)的國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，來(lái)自50多個(gè)國(guó)家的代表在投票后批準(zhǔn)了修訂后的國(guó)際單位制（SI）。盡管大多數(shù)觀察家都將關(guān)注集中于巴黎的國(guó)際千克原器被免去了“標(biāo)準(zhǔn)承擔(dān)者”的身份，但這次生效的國(guó)際單位制的影響要深遠(yuǎn)廣泛得多：國(guó)際單位制系統(tǒng)的基礎(chǔ)已經(jīng)從千克和其他基本單位（其中幾種單位具有隨意或抽象的定義）轉(zhuǎn)變?yōu)槊鞔_特指的常數(shù)。當(dāng)新系統(tǒng)在2019年5月20日生效后，每一個(gè)國(guó)際單位制單位——不僅是千克，還包括伏特、牛頓、韋伯和更多單位——將會(huì)由自然界中的7個(gè)不變量的某種組合推導(dǎo)得出。

“我們從基本單位定義的基礎(chǔ)變成定義常數(shù)的精確值?！蔽锢韺W(xué)家大衛(wèi)·紐維爾（David Newell）說(shuō)道，他在馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）工作，擔(dān)任科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）聯(lián)合主席。在2014年7月《今日物理》的特別報(bào)道中，紐維爾預(yù)評(píng)了下一代國(guó)際單位制。

自從1960年建立起國(guó)際單位制起，最為激進(jìn)的改變就是剛剛通過(guò)的這一次。它要求進(jìn)行一系列創(chuàng)新測(cè)量，以便降低若干常數(shù)值的不確定性，如今這些常數(shù)構(gòu)成了國(guó)際單位制系統(tǒng)的根基。盡管普羅大眾和大多數(shù)科研人員不會(huì)受到影響，但這次改變?yōu)樵跇O端尺度下進(jìn)行測(cè)量的科學(xué)家提供了更高的精確度，它也可能導(dǎo)致制藥公司和其他制造商改善工藝。

數(shù)十年以來(lái)，計(jì)量學(xué)家一直在朝著基于自然界的不變量建立度量衡系統(tǒng)的目標(biāo)而努力。1967年，國(guó)際單位制中的時(shí)間單位“秒”被關(guān)聯(lián)到銫原子躍遷的振蕩；米是基于氪原子發(fā)射譜線的波長(zhǎng)，在1983年又改成基于光速。然而，將千克與基本常數(shù)綁定似乎是困難的任務(wù)，其不確定性與鉑銥合金塊質(zhì)量的不確定性相當(dāng)。2005年，當(dāng)計(jì)量學(xué)研究領(lǐng)域的5位學(xué)術(shù)領(lǐng)袖在《計(jì)量學(xué)》（Metrologia）上發(fā)表了一篇論文，主張說(shuō)重新定義千克的時(shí)候已經(jīng)到了?！斑@引起了一場(chǎng)騷動(dòng)。”紐維爾說(shuō)道。但這篇論文也讓大家思考：全新千克的修訂版國(guó)際單位制系統(tǒng)可能是什么模樣。不久，基于7個(gè)常數(shù)，科學(xué)共同體整合出一個(gè)系統(tǒng)，以普朗克常數(shù)h作為定義千克的基礎(chǔ)。h的值以焦耳·秒（J s）或kg m2s-1來(lái)表示。

在修訂的國(guó)際單位制的基礎(chǔ)常數(shù)中，有3個(gè)是已經(jīng)精確知曉數(shù)值或有精確定義的：真空中的光速c、銫-133原子的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率Δνcs、540太赫茲頻率單色輻射的發(fā)光效能Kcd。剩下的挑戰(zhàn)就是對(duì)基本電荷e、玻爾茲曼常數(shù)k、阿伏伽德羅常數(shù)NA和h進(jìn)行足夠精確的測(cè)量。

起初進(jìn)展并不順利。為了接受新的千克定義，管理委員會(huì)要求h的值由至少三次實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，并且要使用至少兩種不同的方法，相對(duì)不確定度不超過(guò)50ppb（ppb等于10億分之一）。NIST的研究者使用了瓦特秤（也被稱(chēng)為基布爾秤），它利用電流通過(guò)磁場(chǎng)內(nèi)的一根電線所產(chǎn)生的力來(lái)對(duì)抗測(cè)試砝碼的重量。與此同時(shí)，國(guó)際阿伏伽德羅項(xiàng)目分析了近乎完美的硅-28球體，得出NA的值，它與h存在著反比關(guān)系。計(jì)算出的h值彼此之間并不一致。在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）進(jìn)行的瓦特秤測(cè)量原本要解決這種不一致的困境，但NPL突然取消了實(shí)驗(yàn)。幸運(yùn)的是，加拿大國(guó)家研究理事會(huì)介入進(jìn)來(lái)，買(mǎi)下NPL的瓦特秤，在2012年進(jìn)行了測(cè)量，厘清了部分事實(shí)。兩年后NIST實(shí)施的改良測(cè)量使得h的三種值達(dá)成一致。

從那時(shí)起，研究者已經(jīng)聚焦于h和其他常數(shù)。由CODATA發(fā)布的最新信息中，為常數(shù)和換算因子提供了推薦數(shù)值，整合了4次瓦特秤和4次硅球測(cè)量中得出的h數(shù)據(jù)，讓相對(duì)不確定度達(dá)到10 ppb。k的不確定度是最高的，可接受范圍為0.37 ppm（ppm等于百萬(wàn)分之一），與20年前相比改善了近5倍。

現(xiàn)在，投票表決之后，7個(gè)常數(shù)將會(huì)確定其精確值，其推定的不確定性將會(huì)是零。與這7個(gè)常數(shù)直接相關(guān)的常數(shù)（比如約瑟夫森常數(shù)，它等于2e/h）也會(huì)推定為不確定性是零。一些其他常數(shù)的不確定性——譬如電子靜止質(zhì)量——將會(huì)降低，因?yàn)樗鼈兗扰c國(guó)際單位制基本常數(shù)相關(guān)，也和其他常數(shù)相關(guān)。與此同時(shí)，在舊的國(guó)際單位制中處于核心地位的多個(gè)常數(shù)（包括水的三相點(diǎn)、碳-12的摩爾質(zhì)量和位于巴黎的著名千克原器）將會(huì)獲得不確定性。

國(guó)際單位制單位和它們的定義常數(shù)摩爾庫(kù)侖秒赫茲貝可勒爾安培米戈瑞西弗開(kāi)特千克牛頓帕斯卡焦耳瓦特伏特法拉歐姆西門(mén)子韋伯特斯拉亨利開(kāi)爾文攝氏度坎德拉流明勒克斯

千克和另外三個(gè)任意定義的基本單位將透過(guò)新確定的常數(shù)重新定義。安培會(huì)定義為每秒通過(guò)1/（1.602 176 634 × 10-19）的基本電荷，開(kāi)爾文將會(huì)是k焦耳的熱能變化，摩爾會(huì)是包含NA基本單元的物質(zhì)量。

除了這些重新定義，千克、秒、米、安培、摩爾、開(kāi)爾文和坎德拉會(huì)基本上失去它們的特殊地位。盡管這些單位會(huì)繼續(xù)被認(rèn)為是基本單位，所謂的國(guó)際單位制導(dǎo)出單位也會(huì)直接與基礎(chǔ)常數(shù)相連。這個(gè)改變對(duì)于電子測(cè)量尤其重要。自從1990年起，科研人員已經(jīng)依賴(lài)于從國(guó)際單位制分離出的約瑟夫森常數(shù)和馮·克利青常數(shù)的定義，國(guó)際單位制將電子測(cè)量基于安培這個(gè)單位——安培是隨意隔開(kāi)的兩根電線內(nèi)通過(guò)的電流，能生成任意數(shù)量的力。現(xiàn)在，那些值會(huì)改成基于h和e。

對(duì)于計(jì)量學(xué)以外的人士而言，修訂后的國(guó)際單位制的價(jià)值在于這7個(gè)常數(shù)在狹義相對(duì)論、量子力學(xué)和其他理論中的作用。現(xiàn)在，科研人員能夠通過(guò)瓦特秤，在千克尺度下測(cè)量質(zhì)量，但他們也能通過(guò)測(cè)量原子反沖的頻率，在更小的尺度下測(cè)量質(zhì)量；兩種方法的核心都是現(xiàn)在確定的h的精確值。“你在不同的物理定律下使用同一套常數(shù)，達(dá)到你需要的固有尺度。”紐維爾說(shuō)道。摒棄掉國(guó)際千克原器后，質(zhì)量與能量的轉(zhuǎn)換中不再有任何乏晰因子（fudge factor），譬如說(shuō)在千克和伏特單位之間的轉(zhuǎn)換。精密量測(cè)應(yīng)該會(huì)變得更加準(zhǔn)確。

紐維爾也期待這些改變?cè)诋a(chǎn)業(yè)界形成回響。商業(yè)公司能在工廠實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，而不是到NIST或其他研究機(jī)構(gòu)索要標(biāo)準(zhǔn)刻度。紐維爾說(shuō)，他試圖說(shuō)服商業(yè)公司制造標(biāo)定刻度的裝置（譬如用于焊接或蝕刻的測(cè)量激光功率的裝置），使得它們不再依賴(lài)NIST。紐維爾說(shuō)：“我們的工作是讓我們自己派不上用場(chǎng)。”

幾十年以來(lái)，國(guó)際單位制的單位都是通過(guò)7個(gè)基本單位來(lái)定義。從2019年5月份開(kāi)始，所有單位將會(huì)通過(guò)7個(gè)常數(shù)的一個(gè)或多個(gè)來(lái)定義，每個(gè)常數(shù)都會(huì)被指定精確值。弧度和球面度在圖中未顯示，因?yàn)樗鼈儫o(wú)量綱（是基于長(zhǎng)度或面積的比率），從而與任何一個(gè)常數(shù)都沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

資料來(lái)源 Physics Today