編譯 思羽

NIST-4，美國國家標(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，在法國凡爾賽召開的國際計(jì)量大會(huì)上，來自50多個(gè)國家的代表在投票后批準(zhǔn)了修訂后的國際單位制（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，但這次生效的國際單位制的影響要深遠(yuǎn)廣泛得多：國際單位制系統(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）說道，他在馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國國家標(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)了下一代國際單位制。

自從1960年建立起國際單位制起，最為激進(jìn)的改變就是剛剛通過的這一次。它要求進(jìn)行一系列創(chuàng)新測量，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，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，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，主張說重新定義千克的時(shí)候已經(jīng)到了?！斑@引起了一場騷動(dòng)?！奔~維爾說道。但這篇論文也讓大家思考：全新千克的修訂版國際單位制系統(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來表示。

在修訂的國際單位制的基礎(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50ppb（ppb等于10億分之一）。NIST的研究者使用了瓦特秤（也被稱為基布爾秤），它利用電流通過磁場內(nèi)的一根電線所產(chǎn)生的力來對(duì)抗測試砝碼的重量。與此同時(shí)，國際阿伏伽德羅項(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。在英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）進(jìn)行的瓦特秤測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，加拿大國家研究理事會(huì)介入進(jìn)來，買下NPL的瓦特秤，在2012年進(jìn)行了測量，厘清了部分事實(shí)。兩年后NIST實(shí)施的改良測量使得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。

國際單位制單位和它們的定義常數(shù)摩爾庫侖秒赫茲貝可勒爾安培米戈瑞西弗開特千克牛頓帕斯卡焦耳瓦特伏特法拉歐姆西門子韋伯特斯拉亨利開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新確定的常數(shù)重新定義。安培會(huì)定義為每秒通過1/（1.602 176 634 × 10-19）的基本電荷，開爾文將會(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)于電子測量尤其重要。自從1990年起，科研人員已經(jīng)依賴于從國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，國際單位制將電子測量基于安培這個(gè)單位——安培是隨意隔開的兩根電線內(nèi)通過的電流，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?，F(xiàn)在，科研人員能夠通過瓦特秤，在千克尺度下測量質(zhì)量，但他們也能通過測量原子反沖的頻率，在更小的尺度下測量質(zhì)量；兩種方法的核心都是現(xiàn)在確定的h的精確值?！澳阍诓煌奈锢矶上率褂猛惶壮?shù)，達(dá)到你需要的固有尺度。”紐維爾說道。摒棄掉國際千克原器后，質(zhì)量與能量的轉(zhuǎn)換中不再有任何乏晰因子（fudge factor），譬如說在千克和伏特單位之間的轉(zhuǎn)換。精密量測應(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，他試圖說服商業(yè)公司制造標(biāo)定刻度的裝置（譬如用于焊接或蝕刻的測量激光功率的裝置），使得它們不再依賴NIST。紐維爾說：“我們的工作是讓我們自己派不上用場?！?/p>

幾十年以來，國際單位制的單位都是通過7個(gè)基本單位來定義。從2019年5月份開始，所有單位將會(huì)通過7個(gè)常數(shù)的一個(gè)或多個(gè)來定義，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量綱（是基于長度或面積的比率），從而與任何一個(gè)常數(shù)都沒有關(guān)聯(lián)。

資料來源 Physics Today