對國際單位製(SI)進行重新(xīn)定義的目的是使其具備(bèi)未來適應性。
如果我們將SI視為對所有量進行測量的基礎,我們希望這一基礎在未來始終保持堅固。當一個體(tǐ)係承受始料未及的壓力時,它可能出現裂縫。當我們要求測(cè)量不(bú)斷實現更高的準確(què)度(dù),或者在極端環境(jìng)下開展測量時,如果測量單位在定義之初沒有考慮到以(yǐ)上這(zhè)些情(qíng)況,我們的單位製就(jiù)會承受極大的壓力。在變革之前,世(shì)界各(gè)國已經用了數十年的時間用實驗測試基礎物理常數與單位製之(zhī)間關係(xì)。試想一下,那些在建造之初沒有(yǒu)預(yù)見到需(xū)要(yào)應對如此沉重現代交通壓力的橋梁和道路。
要(yào)對一(yī)個大於1千克(kè)的物(wù)體稱重,我(wǒ)們需要將更多的千克加在一起,因(yīn)此可重複(fù)性能夠讓你實現這種增加。反過來說,對(duì)一(yī)個小於1千克的物體(tǐ)稱重時,我們需要對千克進行分割。分割得越小,越難實現準確性。把(bǎ)一塊巧克力切成20份也許(xǔ)很容易,切成2000份就沒那麽簡單了。然而,許多行業已經開始進行微克甚(shèn)至納克級(jí)別的測量,比如(rú)在醫藥業中,確保片劑中的準確(què)藥量十分重要。我們的目標是確保所有尺度的測量(liàng)都能實現同等級別的準確度(dù)。
這(zhè)種數值與標準值相差甚遠的(de)測量問題對於(yú)溫度測量而言更加(jiā)嚴峻。現有定義是基於水三(sān)相(xiàng)點的定義值,即冰、液態水和水蒸氣共存時的溫度(定義為273.16K)。當測量與水三相點相差巨大的溫度時(比如1500℃以上的加工金屬),要想準確地測出這一溫度(dù)比水三相點相差多少就變得異常困難。為了在全(quán)世界範圍內建立可靠的測量方(fāng)法,目前我們使用一本所謂“食譜”中的(de)不同方法與水三相點進行比對。然而在重(chóng)新定義之後,溫度測量(liàng)將不再需要與水三相點關聯,用(yòng)戶可以使(shǐ)用任意一(yī)種符(fú)合其要求的基本測量方法。這(zhè)種變化尚不明顯,但是它將帶來許多可能的技術進步。
作為測量基準的保存機構,我們需要確保測量具(jù)有未(wèi)來適應性和(hé)長期可靠性。
“未來適用性”能給我們(men)帶(dài)來什麽?
很難說它能帶來什麽,我們認為如(rú)果我們有能力(lì)進行更準確的(de)測量,這將為其他活動奠(diàn)定基礎。未來適用性能夠(gòu)提振測量者的信心,因為這些測量能(néng)保(bǎo)持相當長時間的穩定性。
需要注意的是,未(wèi)來我(wǒ)們有可能繼續(xù)提(tí)升基本常數的測量準確度,在此(cǐ)基礎上需要改變末位數字或者增加一些位數。回顧100年前那些陳舊的實驗和技術,我們永遠不確定未來是什麽樣。不(bú)過比(bǐ)起現在我們要對SI進行的變革而言,這些變化不算什麽。
當人們製造出原子鍾進行更準確的時間測量時,計算機技術(shù)仍處於萌芽期,數字(zì)革命尚(shàng)未(wèi)出現。然而,高度準確的計時是整個行業的基礎,沒有它就沒有互聯網、移(yí)動電話和其他技術的成功。目前全球定位係統(GPS)的準確度受到時間標準傳遞能(néng)力的限製,因此全世界正在共同努力推(tuī)動(dòng)GPS的進一步發展。
提升極小質(zhì)量的測量能力將支撐醫藥行業,該行業一直在(zài)追(zhuī)求實現更(gèng)準確(què)的藥物劑量,尤其是針對日益(yì)興起的個性化用藥。
變革會有哪(nǎ)些影響?
SI變革不是(shì)瞬間(jiān)革命,而(ér)是長期的演變。
變革帶來的(de)即時影響非(fēi)常小,這一點非常(cháng)重要。我們不希望將重(chóng)大變革引入測量係統中。實際上,除了安培,變(biàn)革對於(yú)測量單(dān)位的影響微乎其微。但是變革能保證SI單(dān)位的未來能力,並在定義不變(biàn)的情況下為未來發展奠定基礎。
變革(gé)對於電學測量的影響是立竿見影的。安培的新複現方法將使用新的固定基本電荷。這將(jiāng)導(dǎo)致10-7的變化,但是隻會影響最高級別的校準實驗室(shì),對(duì)安培的實際使(shǐ)用沒有影響。
安培的新(xīn)定義將基於電子(zǐ)的基本電荷(hé),我們認為基本電荷是(shì)一個基本自然常數。單位的複現方法是對通過一條導線的電子(每個電子(zǐ)帶有完全(quán)相(xiàng)同的基(jī)本電荷)數量進行計數。因此,在標準定義不變的情況下,計數能力越高,複現標準的準(zhǔn)確度就越高。
我(wǒ)們挑選了一組基本常數作為SI的基礎,這些常數保持不變,但是(shì)未來技(jì)術(shù)的進步將改變並完(wán)善複現過程。
本文刊發在《中國計量》雜(zá)誌2017年(nián)第(dì)十期