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新的計量時代即將到來,誰會受到影響? 日期:2019.05.07

去年,千克(kg)、開爾文(K)、摩爾(mol)、安培(A),這幾個國際單位製中的基本單位被重新定義。5月20日(也就是世界計量日),新的定義將開始生效,計量界將經曆一場巨大的變化。到那時,一係列物理學常數(例如電子電荷)將不再帶有誤差棒,但這並不意味著不確定度也會消失,它們隻是轉移到其他測定量中去了。

○ 國際單位製中的7個基本單位。

 

這些變化應當不會引發任何麻煩,因為誤差出現在小數點之後很遠的位置,那是大多數科學家在實驗中永遠無法企及的高精確度。但這仍會帶來一些顯著的效果,例如,在新的國際單位製中,與引力測試和製藥有關的一些測量會變得更簡單也更精確。

 

國際單位製重新定義背後的指導原則是將計量單位與基本常數掛鉤。比如說,千克將不再會以一個特定的人工製品的質量來定義,而是將它與普朗克常數(一個定義了量子力學尺度的基本參數)聯係起來。國際度量衡局主任Martin Milton表示,確定新的定義並不是很難,難的是實現能將宏觀的千克與量子世界的普朗克結合起來的實驗。

○ 儲存在法國賽弗爾的國際度量衡局(BIPM)內的國際千克原器,它是一塊鉑-銥合金圓柱體。| 圖片來源:BIPM

 

在過去幾十年裏,研究人員已經開發了兩種聯係千克與普朗克常數的實驗。

○ 基布爾秤能夠以很高的精度測量普朗克常數,在國際單位製重新定義後,它可以在無需參考任何標準千克的情況下測量質量。| 圖片來源:NIST

 

第一種是基布爾秤,它的工作原理是用線圈在磁場中受到的向上的磁力來平衡一塊金屬受到的向下的重力;磁力可以通過改變線圈中的電流來調節,而電流是根據普朗克常數而測得的。這樣,普朗克常數就通過電流與千克聯係起來了。

○ 國際阿伏伽德羅計劃開發了一種技術來測量和估算矽-28晶體球內包含的原子數量。| 圖片來源:NIST

 

第二種實驗是由國際阿伏伽德羅計劃構想出的,科學家首先將1千克均勻的矽-28晶體製作成一個近乎完美的球體,然後使用X射線晶體學和光學幹涉技術計算出球體中的原子數量,再將其質量與普朗克常數聯係起來。

 

2017年,這兩種方法都基於標準千克給出了普朗克常數的數值,並且精度達到了10ppb(即十億分之十)。這樣高精度的測量使得科學家能夠反過來以普朗克常數作為定義的標準,而不是千克。因此,千克沿襲了之前出現在普朗克常數測量中的不確定度。美國國家標準技術研究所(NIST)的物理學家Stephan Schlamminger說:“不確定度就像是地毯下的一個氣泡,你可以在一個地方將它壓下去,但它會從另一個地方再冒出來。”

 

那麽這是否意味著從5月21日開始,所有的重量測量都要重新來過?並非如此。大多數的質量測量裝置都沒有精確到足以探測到10ppb這一量級的變化。唯一遭受損失的是國際度量衡局裏的國際千克原器,因為它將從1千克的標準定義(不確定性為0)變成一塊質量的不確定度為10微克的金屬。不過鑒於能建立一套更簡單、更優美的國際單位製,這樣的代價並不為過。

 

對安培的重新定義則會導致其他的一些標準(例如伏特和歐姆)也會發生微小的數值變化。NIST的物理學家Dave Newell說,這種變化對於在美國為電氣標準提供原級校準服務的24個實驗室來說是顯而易見的。而這些標準所校準的儀器又反過來會校準其他儀器。不確定度會沿著這個校準的鏈條自上而下地增加,從而到最後察覺不到重新定義國際單位製的影響。畢竟大多數研究人員並不需要精確到小數點後8位數。

 

○ 重新定義國際單位的一些影響。

 

或許對小作用力的測量能讓新的國際單位製顯現出更明顯的影響。長時間以來,小作用力的精確校準一直是個問題。例如在一些引力測試中,需要測量質量小到1毫克的物體的作用力。而在現行的國際單位製中,1毫克的校準標準需要從1千克開始,並通過與較小質量多次比較來進行有效地細分。每一次的質量細分都會增加測量的不確定度。從1千克到1毫克,不確定度會從10ppb增長到100ppm(百萬分之百)——也就是增加了一萬倍。

 

有了新的國際單位製,我們就可以通過直接建造一個能夠測量所需精度量級的設備,來規避這種複合的不確定度。NIST的研究人員目前正在開發一種可以在10克量級上進行測量的台麵基布爾秤。與耗資數百萬美元的千克級基布爾秤比起來,這些商業秤大約需要5萬美元。更小的質量級別還可以選擇使用靜電力秤,它的工作原理與基布爾秤相似,但利用的是電容器的靜電力,而不是線圈的磁力。

 

製藥行業或許是能從小質量級別的秤中獲益的領域,在未來所謂的個性化醫療時代,醫務人員將根據患者的DNA圖譜為他們提供毫克水平的精確劑量。

 

除了測量重量之外,靜電力秤和基布爾秤也可以被轉動到水平方向來測量其他作用力。例如,它可被用來測量一束激光對附在靜電裝置上的鏡子所施加的力。這將為激光幹涉儀引力波天文台(LIGO)等高精度實驗提供一種更直接的激光功率校準方法。

 

Milton認為,新的國際單位製的優勢在於,它為那些想要發明新方法來實踐這些單位定義的人打開了一扇大門,而之前的情況並非如此。Newell也持有同樣的觀點,他認為當我們不再以人工製品作為標準之後,實驗室就可以建造自己的內部設備,讓這些設備直接與基本常數關聯。最終,沒有人需要再依靠NIST或其他設備來進行校準。Newell說:“我們實際上是在讓自己失業。”

 

即將到來的計量革命可能會改變科學家與測量設備互動的方式。Schlamminger表示,以前,當計量單位是以人工製品定義時,他們的目標是維持靜止:“對於人工製品,因為擔心它會被損壞,所以不太願意使用。”但像基布爾秤這樣的機器則會鼓勵人們去使用,因為使用得越多,對它的理解也就越深刻。而且不同於人工製品的是,機器有改進的空間,它還可以變得更好。

 
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