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國際單位製重新定義的目的是什麽?

發(fā)布時間:2020-07-15 作者: 來源: 瀏覽:7626

  對國際單位製(SI)進行重新定義的目的是使其具備未(wèi)來適應性。
    如果我們將SI視為對所有量進行測量的基礎(chǔ),我們希望這一基礎在未來始終保持堅固。當一個體係承受始料(liào)未及的壓力時,它可能出現裂縫。當我們要求測量不斷實現更高(gāo)的(de)準確度,或者在極端環境下開展測量時,如果測(cè)量單位在定義之初沒有考慮到以上這些情況,我們的單位製就會承受極大的壓力。在變革之前,世界各國已經用(yòng)了數十年的時間用實驗測試基礎物理常數與單位製之間關係。試(shì)想(xiǎng)一下,那些在建造(zào)之初沒(méi)有預見到需要應對如此沉重現代交通(tōng)壓力的橋梁和道路(lù)。
    要對一個大於1千克的物體稱重,我們需要將更多(duō)的千克加在一起,因此可重複性能夠讓你實現這種增(zēng)加。反過來說(shuō),對一個小於1千克的物體稱重時,我們需要對千克進行分割(gē)。分割得越小,越難實現準確性。把一塊巧克力切成20份也許很容易,切成2000份就沒那麽簡單了。然(rán)而(ér),許多行業已經開始進行微克甚至納克級別的測量,比如在醫藥業中,確保片劑(jì)中的準確藥量十分重要。我們(men)的(de)目標是確保所(suǒ)有尺度的測量(liàng)都能實現同等級別的(de)準確度。
    這種數值與標準值相(xiàng)差(chà)甚遠的測量問題對於溫度測量(liàng)而言更加嚴峻(jun4)。現有定義(yì)是基於水三相點的定義值(zhí),即冰、液態水和水蒸氣共存時(shí)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(gōng)金屬),要(yào)想準確(què)地測出這一溫度比水三相點相差多少就變得異常困難。為了在全世界範圍內建(jiàn)立可靠的測量方法,目前我(wǒ)們使用一本所(suǒ)謂“食譜”中的不同方法與水三相點進行比(bǐ)對。然而在重新定義之後,溫度測量將不再需要與水(shuǐ)三相(xiàng)點關聯,用戶可以使用任意一種符合其要求的基本測量方法。這種(zhǒng)變化尚不明顯,但是(shì)它將帶來許多(duō)可能的技術進步。
    作為(wéi)測量基準的保存(cún)機構,我(wǒ)們需要確保測量具有未來適應性和長期可靠性。
    
“未來適用性”能給我(wǒ)們帶來什麽?
    很難說它能帶來什麽,我們認為(wéi)如果我們有能力進行更準確的測量,這將為其他活動奠定基礎。未來適用性能夠提振測量者的信心,因為這(zhè)些測量能保持相當(dāng)長時間的穩定性。
    需要(yào)注意的是,未來我們有可能繼(jì)續(xù)提升基本常數的測(cè)量準確度,在此基礎(chǔ)上需要改變末位數字(zì)或者增加一些位數。回顧100年前那些陳舊的實驗和(hé)技術,我們永遠不確定未來是什麽樣。不過(guò)比起現在我(wǒ)們要對SI進行的(de)變革(gé)而(ér)言,這些變化(huà)不算什麽。
    當人們(men)製造出原子鍾進行更準確的時間測量時(shí),計算機技(jì)術仍處於萌芽期(qī),數字革命(mìng)尚未出(chū)現。然而,高度準確的計(jì)時是整個行業的基礎,沒有它(tā)就沒有互聯網、移動電話和其他技術的成功。目前全(quán)球定(dìng)位係(xì)統(GPS)的準確度受到時間標準傳遞能力的限製,因此全世界正(zhèng)在共同努力推動GPS的進一步發展。
    提升極小質量的測量(liàng)能力將(jiāng)支撐醫藥行業(yè),該(gāi)行業一直在(zài)追(zhuī)求實現更準確的藥物劑量,尤其是針對(duì)日(rì)益興起的個性化用藥。
    
變革會有哪些影響?
    SI變革不是瞬間革命,而是長期(qī)的演變。
    變革帶來的即時影響非常小,這一點非常重要。我們不希望將重大變革(gé)引入測量(liàng)係統中。實(shí)際上,除(chú)了(le)安培,變革對於測量單位的影響微乎其微。但是(shì)變革能保(bǎo)證SI單位的未來能(néng)力,並在定義不變的情況下為未來(lái)發展奠定基礎。
    變革對於電學測量的影響是立竿見影的。安(ān)培的新複(fù)現方法將使用新的固定基本電荷。這將(jiāng)導致10-7的變化,但是隻會影響最高級(jí)別的校準實(shí)驗室(shì),對安培的實際使(shǐ)用沒有影響。
    安培的新定義將基於電子的基本電荷(hé),我們認為基本(běn)電荷(hé)是一個基本自然(rán)常(cháng)數。單位的複現方法是(shì)對通過一條導線的電子(每個電(diàn)子帶有完全相同的基本電荷)數量進行計(jì)數。因此,在標準定義不變的情況下(xià),計數能力越高,複現標(biāo)準(zhǔn)的準確度就越(yuè)高。
    我們挑選了一組基本常數作為SI的基礎,這些常數保持不變,但是未來技術的(de)進步將改變並完善複現過程。

本文刊發在《中國計量》雜誌(zhì)2017年第十期

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