修订后的国际单位制获得批准

编译 思羽

NIST-4，美国国家标准技术研究所的最新一代瓦特秤或基布尔秤，帮助计量学家聚焦于普朗克常数的值

2018年的11月16日，在法国凡尔赛召开的国际计量大会上，来自50多个国家的代表在投票后批准了修订后的国际单位制（SI）。尽管大多数观察家都将关注集中于巴黎的国际千克原器被免去了“标准承担者”的身份，但这次生效的国际单位制的影响要深远广泛得多：国际单位制系统的基础已经从千克和其他基本单位（其中几种单位具有随意或抽象的定义）转变为明确特指的常数。当新系统在2019年5月20日生效后，每一个国际单位制单位——不仅是千克，还包括伏特、牛顿、韦伯和更多单位——将会由自然界中的7个不变量的某种组合推导得出。

“我们从基本单位定义的基础变成定义常数的精确值。”物理学家大卫·纽维尔（David Newell）说道，他在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准技术研究所（NIST）工作，担任科学技术数据委员会（CODATA）联合主席。在2014年7月《今日物理》的特别报道中，纽维尔预评了下一代国际单位制。

自从1960年建立起国际单位制起，最为激进的改变就是刚刚通过的这一次。它要求进行一系列创新测量，以便降低若干常数值的不确定性，如今这些常数构成了国际单位制系统的根基。尽管普罗大众和大多数科研人员不会受到影响，但这次改变为在极端尺度下进行测量的科学家提供了更高的精确度，它也可能导致制药公司和其他制造商改善工艺。

数十年以来，计量学家一直在朝着基于自然界的不变量建立度量衡系统的目标而努力。1967年，国际单位制中的时间单位“秒”被关联到铯原子跃迁的振荡；米是基于氪原子发射谱线的波长，在1983年又改成基于光速。然而，将千克与基本常数绑定似乎是困难的任务，其不确定性与铂铱合金块质量的不确定性相当。2005年，当计量学研究领域的5位学术领袖在《计量学》（Metrologia）上发表了一篇论文，主张说重新定义千克的时候已经到了。“这引起了一场骚动。”纽维尔说道。但这篇论文也让大家思考：全新千克的修订版国际单位制系统可能是什么模样。不久，基于7个常数，科学共同体整合出一个系统，以普朗克常数h作为定义千克的基础。h的值以焦耳·秒（J s）或kg m2s-1来表示。

在修订的国际单位制的基础常数中，有3个是已经精确知晓数值或有精确定义的：真空中的光速c、铯-133原子的超精细能级跃迁频率Δνcs、540太赫兹频率单色辐射的发光效能Kcd。剩下的挑战就是对基本电荷e、玻尔兹曼常数k、阿伏伽德罗常数NA和h进行足够精确的测量。

起初进展并不顺利。为了接受新的千克定义，管理委员会要求h的值由至少三次实验确认，并且要使用至少两种不同的方法，相对不确定度不超过50ppb（ppb等于10亿分之一）。NIST的研究者使用了瓦特秤（也被称为基布尔秤），它利用电流通过磁场内的一根电线所产生的力来对抗测试砝码的重量。与此同时，国际阿伏伽德罗项目分析了近乎完美的硅-28球体，得出NA的值，它与h存在着反比关系。计算出的h值彼此之间并不一致。在英国国家物理实验室（NPL）进行的瓦特秤测量原本要解决这种不一致的困境，但NPL突然取消了实验。幸运的是，加拿大国家研究理事会介入进来，买下NPL的瓦特秤，在2012年进行了测量，厘清了部分事实。两年后NIST实施的改良测量使得h的三种值达成一致。

从那时起，研究者已经聚焦于h和其他常数。由CODATA发布的最新信息中，为常数和换算因子提供了推荐数值，整合了4次瓦特秤和4次硅球测量中得出的h数据，让相对不确定度达到10 ppb。k的不确定度是最高的，可接受范围为0.37 ppm（ppm等于百万分之一），与20年前相比改善了近5倍。

现在，投票表决之后，7个常数将会确定其精确值，其推定的不确定性将会是零。与这7个常数直接相关的常数（比如约瑟夫森常数，它等于2e/h）也会推定为不确定性是零。一些其他常数的不确定性——譬如电子静止质量——将会降低，因为它们既与国际单位制基本常数相关，也和其他常数相关。与此同时，在旧的国际单位制中处于核心地位的多个常数（包括水的三相点、碳-12的摩尔质量和位于巴黎的著名千克原器）将会获得不确定性。

国际单位制单位和它们的定义常数摩尔库仑秒赫兹贝可勒尔安培米戈瑞西弗开特千克牛顿帕斯卡焦耳瓦特伏特法拉欧姆西门子韦伯特斯拉亨利开尔文摄氏度坎德拉流明勒克斯

千克和另外三个任意定义的基本单位将透过新确定的常数重新定义。安培会定义为每秒通过1/（1.602 176 634 × 10-19）的基本电荷，开尔文将会是k焦耳的热能变化，摩尔会是包含NA基本单元的物质量。

除了这些重新定义，千克、秒、米、安培、摩尔、开尔文和坎德拉会基本上失去它们的特殊地位。尽管这些单位会继续被认为是基本单位，所谓的国际单位制导出单位也会直接与基础常数相连。这个改变对于电子测量尤其重要。自从1990年起，科研人员已经依赖于从国际单位制分离出的约瑟夫森常数和冯·克利青常数的定义，国际单位制将电子测量基于安培这个单位——安培是随意隔开的两根电线内通过的电流，能生成任意数量的力。现在，那些值会改成基于h和e。

对于计量学以外的人士而言，修订后的国际单位制的价值在于这7个常数在狭义相对论、量子力学和其他理论中的作用。现在，科研人员能够通过瓦特秤，在千克尺度下测量质量，但他们也能通过测量原子反冲的频率，在更小的尺度下测量质量；两种方法的核心都是现在确定的h的精确值。“你在不同的物理定律下使用同一套常数，达到你需要的固有尺度。”纽维尔说道。摒弃掉国际千克原器后，质量与能量的转换中不再有任何乏晰因子（fudge factor），譬如说在千克和伏特单位之间的转换。精密量测应该会变得更加准确。

纽维尔也期待这些改变在产业界形成回响。商业公司能在工厂实现精确测量，而不是到NIST或其他研究机构索要标准刻度。纽维尔说，他试图说服商业公司制造标定刻度的装置（譬如用于焊接或蚀刻的测量激光功率的装置），使得它们不再依赖NIST。纽维尔说：“我们的工作是让我们自己派不上用场。”

几十年以来，国际单位制的单位都是通过7个基本单位来定义。从2019年5月份开始，所有单位将会通过7个常数的一个或多个来定义，每个常数都会被指定精确值。弧度和球面度在图中未显示，因为它们无量纲（是基于长度或面积的比率），从而与任何一个常数都没有关联。

资料来源 Physics Today