修訂后的國際單位制獲得批準

編譯 思羽

NIST-4，美國國家標準技術研究所的最新一代瓦特秤或基布爾秤，幫助計量學家聚焦于普朗克常數的值

2018年的11月16日，在法國凡爾賽召開的國際計量大會上，來自50多個國家的代表在投票后批準了修訂后的國際單位制（SI）。盡管大多數觀察家都將關注集中于巴黎的國際千克原器被免去了“標準承擔者”的身份，但這次生效的國際單位制的影響要深遠廣泛得多：國際單位制系統的基礎已經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）轉變為明確特指的常數。當新系統在2019年5月20日生效后，每一個國際單位制單位——不僅是千克，還包括伏特、牛頓、韋伯和更多單位——將會由自然界中的7個不變量的某種組合推導得出。

“我們從基本單位定義的基礎變成定義常數的精確值。”物理學家大衛·紐維爾（David Newell）說道，他在馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國國家標準技術研究所（NIST）工作，擔任科學技術數據委員會（CODATA）聯合主席。在2014年7月《今日物理》的特別報道中，紐維爾預評了下一代國際單位制。

自從1960年建立起國際單位制起，最為激進的改變就是剛剛通過的這一次。它要求進行一系列創新測量，以便降低若干常數值的不確定性，如今這些常數構成了國際單位制系統的根基。盡管普羅大眾和大多數科研人員不會受到影響，但這次改變為在極端尺度下進行測量的科學家提供了更高的精確度，它也可能導致制藥公司和其他制造商改善工藝。

數十年以來，計量學家一直在朝著基于自然界的不變量建立度量衡系統的目標而努力。1967年，國際單位制中的時間單位“秒”被關聯到銫原子躍遷的振蕩；米是基于氪原子發射譜線的波長，在1983年又改成基于光速。然而，將千克與基本常數綁定似乎是困難的任務，其不確定性與鉑銥合金塊質量的不確定性相當。2005年，當計量學研究領域的5位學術領袖在《計量學》（Metrologia）上發表了一篇論文，主張說重新定義千克的時候已經到了。“這引起了一場騷動。”紐維爾說道。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可能是什么模樣。不久，基于7個常數，科學共同體整合出一個系統，以普朗克常數h作為定義千克的基礎。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常數中，有3個是已經精確知曉數值或有精確定義的：真空中的光速c、銫-133原子的超精細能級躍遷頻率Δνcs、540太赫茲頻率單色輻射的發光效能Kcd。剩下的挑戰就是對基本電荷e、玻爾茲曼常數k、阿伏伽德羅常數NA和h進行足夠精確的測量。

起初進展并不順利。為了接受新的千克定義，管理委員會要求h的值由至少三次實驗確認，并且要使用至少兩種不同的方法，相對不確定度不超過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的一根電線所產生的力來對抗測試砝碼的重量。與此同時，國際阿伏伽德羅項目分析了近乎完美的硅-28球體，得出NA的值，它與h存在著反比關系。計算出的h值彼此之間并不一致。在英國國家物理實驗室（NPL）進行的瓦特秤測量原本要解決這種不一致的困境，但NPL突然取消了實驗。幸運的是，加拿大國家研究理事會介入進來，買下NPL的瓦特秤，在2012年進行了測量，厘清了部分事實。兩年后NIST實施的改良測量使得h的三種值達成一致。

從那時起，研究者已經聚焦于h和其他常數。由CODATA發布的最新信息中，為常數和換算因子提供了推薦數值，整合了4次瓦特秤和4次硅球測量中得出的h數據，讓相對不確定度達到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。

現在，投票表決之后，7個常數將會確定其精確值，其推定的不確定性將會是零。與這7個常數直接相關的常數（比如約瑟夫森常數，它等于2e/h）也會推定為不確定性是零。一些其他常數的不確定性——譬如電子靜止質量——將會降低，因為它們既與國際單位制基本常數相關，也和其他常數相關。與此同時，在舊的國際單位制中處于核心地位的多個常數（包括水的三相點、碳-12的摩爾質量和位于巴黎的著名千克原器）將會獲得不確定性。

國際單位制單位和它們的定義常數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

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

除了這些重新定義，千克、秒、米、安培、摩爾、開爾文和坎德拉會基本上失去它們的特殊地位。盡管這些單位會繼續被認為是基本單位，所謂的國際單位制導出單位也會直接與基礎常數相連。這個改變對于電子測量尤其重要。自從1990年起，科研人員已經依賴于從國際單位制分離出的約瑟夫森常數和馮·克利青常數的定義，國際單位制將電子測量基于安培這個單位——安培是隨意隔開的兩根電線內通過的電流，能生成任意數量的力。現在，那些值會改成基于h和e。

對于計量學以外的人士而言，修訂后的國際單位制的價值在于這7個常數在狹義相對論、量子力學和其他理論中的作用。現在，科研人員能夠通過瓦特秤，在千克尺度下測量質量，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量；兩種方法的核心都是現在確定的h的精確值。“你在不同的物理定律下使用同一套常數，達到你需要的固有尺度。”紐維爾說道。摒棄掉國際千克原器后，質量與能量的轉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換。精密量測應該會變得更加準確。

紐維爾也期待這些改變在產業界形成回響。商業公司能在工廠實現精確測量，而不是到NIST或其他研究機構索要標準刻度。紐維爾說，他試圖說服商業公司制造標定刻度的裝置（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。”

幾十年以來，國際單位制的單位都是通過7個基本單位來定義。從2019年5月份開始，所有單位將會通過7個常數的一個或多個來定義，每個常數都會被指定精確值。弧度和球面度在圖中未顯示，因為它們無量綱（是基于長度或面積的比率），從而與任何一個常數都沒有關聯。

資料來源 Physics Today