國(guó)際單位制中的7個(gè)基本單位
這些變化應(yīng)當(dāng)不會(huì)引發(fā)任何麻煩，因?yàn)檎`差出現(xiàn)在小數(shù)點(diǎn)之后很遠(yuǎn)的位置，那是大多數(shù)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中永遠(yuǎn)無(wú)法企及的高精確度。但這仍會(huì)帶來(lái)一些顯著的效果，例如，在新的國(guó)際單位制中，與引力測(cè)試和制藥有關(guān)的一些測(cè)量會(huì)變得更簡(jiǎn)單也更精確。
國(guó)際單位制重新定義背后的指導(dǎo)原則是將計(jì)量單位與基本常數(shù)掛鉤。比如說(shuō)，千克將不再會(huì)以一個(gè)特定的人工制品的質(zhì)量來(lái)定義，而是將它與普朗克常數(shù)(一個(gè)定義了量子力學(xué)尺度的基本參數(shù))聯(lián)系起來(lái)。國(guó)際度量衡局主任Martin Milton表示，確定新的定義并不是很難，難的是實(shí)現(xiàn)能將宏觀(guān)的千克與量子世界的普朗克結(jié)合起來(lái)的實(shí)驗(yàn)。
儲(chǔ)存在法國(guó)賽弗爾的國(guó)際度量衡局(BIPM)內(nèi)的國(guó)際千克原器，它是一塊鉑-銥合金圓柱體
在過(guò)去幾十年里，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種聯(lián)系千克與普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)。
基布爾秤能夠以很高的精度測(cè)量普朗克常數(shù)，在國(guó)際單位制重新定義后，它可以在無(wú)需參考任何標(biāo)準(zhǔn)千克的情況下測(cè)量質(zhì)量
第一種是基布爾秤，它的工作原理是用線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受到的向上的磁力來(lái)平衡一塊金屬受到的向下的重力；磁力可以通過(guò)改變線(xiàn)圈中的電流來(lái)調(diào)節(jié)，而電流是根據(jù)普朗克常數(shù)而測(cè)得的。這樣，普朗克常數(shù)就通過(guò)電流與千克聯(lián)系起來(lái)了。
國(guó)際阿伏伽德羅計(jì)劃開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)來(lái)測(cè)量和估算硅-28晶體球內(nèi)包含的原子數(shù)量
第二種實(shí)驗(yàn)是由國(guó)際阿伏伽德羅計(jì)劃構(gòu)想出的，科學(xué)家首先將1千克均勻的硅-28晶體制作成一個(gè)近乎完美的球體，然后使用X射線(xiàn)晶體學(xué)和光學(xué)干涉技術(shù)計(jì)算出球體中的原子數(shù)量，再將其質(zhì)量與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來(lái)。
2017年，這兩種方法都基于標(biāo)準(zhǔn)千克給出了普朗克常數(shù)的數(shù)值，并且精度達(dá)到了10ppb(即十億分之十)。這樣高精度的測(cè)量使得科學(xué)家能夠反過(guò)來(lái)以普朗克常數(shù)作為定義的標(biāo)準(zhǔn)，而不是千克。因此，千克沿襲了之前出現(xiàn)在普朗克常數(shù)測(cè)量中的不確定度。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的物理學(xué)家Stephan Schlamminger說(shuō)：“不確定度就像是地毯下的一個(gè)氣泡，你可以在一個(gè)地方將它壓下去，但它會(huì)從另一個(gè)地方再冒出來(lái)。”
那么這是否意味著從5月21日開(kāi)始，所有的重量測(cè)量都要重新來(lái)過(guò)？并非如此。大多數(shù)的質(zhì)量測(cè)量裝置都沒(méi)有精確到足以探測(cè)到10ppb這一量級(jí)的變化。唯一遭受損失的是國(guó)際度量衡局里的國(guó)際千克原器，因?yàn)樗鼘?千克的標(biāo)準(zhǔn)定義(不確定性為0)變成一塊質(zhì)量的不確定度為10微克的金屬。不過(guò)鑒于能建立一套更簡(jiǎn)單、更優(yōu)美的國(guó)際單位制，這樣的代價(jià)并不為過(guò)。
對(duì)安培的重新定義則會(huì)導(dǎo)致其他的一些標(biāo)準(zhǔn)(例如伏特和歐姆)也會(huì)發(fā)生微小的數(shù)值變化。NIST的物理學(xué)家Dave Newell說(shuō)，這種變化對(duì)于在美國(guó)為電氣標(biāo)準(zhǔn)提供原級(jí)校準(zhǔn)服務(wù)的24個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。而這些標(biāo)準(zhǔn)所校準(zhǔn)的儀器又反過(guò)來(lái)會(huì)校準(zhǔn)其他儀器。不確定度會(huì)沿著這個(gè)校準(zhǔn)的鏈條自上而下地增加，從而到最后察覺(jué)不到重新定義國(guó)際單位制的影響。畢竟大多數(shù)研究人員并不需要精確到小數(shù)點(diǎn)后8位數(shù)。
重新定義國(guó)際單位的一些影響
或許對(duì)小作用力的測(cè)量能讓新的國(guó)際單位制顯現(xiàn)出更明顯的影響。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，小作用力的精確校準(zhǔn)一直是個(gè)問(wèn)題。例如在一些引力測(cè)試中，需要測(cè)量質(zhì)量小到1毫克的物體的作用力。而在現(xiàn)行的國(guó)際單位制中，1毫克的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要從1千克開(kāi)始，并通過(guò)與較小質(zhì)量多次比較來(lái)進(jìn)行有效地細(xì)分。每一次的質(zhì)量細(xì)分都會(huì)增加測(cè)量的不確定度。從1千克到1毫克，不確定度會(huì)從10ppb增長(zhǎng)到100ppm(百萬(wàn)分之百)-也就是增加了一萬(wàn)倍。
有了新的國(guó)際單位制，我們就可以通過(guò)直接建造一個(gè)能夠測(cè)量所需精度量級(jí)的設(shè)備，來(lái)規(guī)避這種復(fù)合的不確定度。NIST的研究人員目前正在開(kāi)發(fā)一種可以在10克量級(jí)上進(jìn)行測(cè)量的臺(tái)面基布爾秤。與耗資數(shù)百萬(wàn)美元的千克級(jí)基布爾秤比起來(lái)，這些商業(yè)秤大約需要5萬(wàn)美元。更小的質(zhì)量級(jí)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(xiàn)圈的磁力。
制藥行業(yè)或許是能從小質(zhì)量級(jí)別的秤中獲益的領(lǐng)域，在未來(lái)所謂的個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代，醫(yī)務(wù)人員將根據(jù)患者的DNA圖譜為他們提供毫克水平的精確劑量。
除了測(cè)量重量之外，靜電力秤和基布爾秤也可以被轉(zhuǎn)動(dòng)到水平方向來(lái)測(cè)量其他作用力。例如，它可被用來(lái)測(cè)量一束激光對(duì)附在靜電裝置上的鏡子所施加的力。這將為激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)等高精度實(shí)驗(yàn)提供一種更直接的激光功率校準(zhǔn)方法。
Milton認(rèn)為，新的國(guó)際單位制的優(yōu)勢(shì)在于，它為那些想要發(fā)明新方法來(lái)實(shí)踐這些單位定義的人打開(kāi)了一扇大門(mén)，而之前的情況并非如此。Newell也持有同樣的觀(guān)點(diǎn)，他認(rèn)為當(dāng)我們不再以人工制品作為標(biāo)準(zhǔn)之后，實(shí)驗(yàn)室就可以建造自己的內(nèi)部設(shè)備，讓這些設(shè)備直接與基本常數(shù)關(guān)聯(lián)。最終，沒(méi)有人需要再依靠NIST或其他設(shè)備來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。Newell說(shuō)：“我們實(shí)際上是在讓自己失業(yè)。”
即將到來(lái)的計(jì)量革命可能會(huì)改變科學(xué)家與測(cè)量設(shè)備互動(dòng)的方式。Schlamminger表示，以前，當(dāng)計(jì)量單位是以人工制品定義時(shí)，他們的目標(biāo)是維持靜止：“對(duì)于人工制品，因?yàn)閾?dān)心它會(huì)被損壞，所以不太愿意使用。”但像基布爾秤這樣的機(jī)器則會(huì)鼓勵(lì)人們?nèi)ナ褂茫驗(yàn)槭褂玫迷蕉啵瑢?duì)它的理解也就越深刻。而且不同于人工制品的是，機(jī)器有改進(jìn)的空間，它還可以變得更好。
原文：
國(guó)際單位制(SI)是全球統(tǒng)一的計(jì)量單位制，是構(gòu)成國(guó)際計(jì)量體系的基石。國(guó)際單位制的核心是7個(gè)基本單位，即時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”、質(zhì)量單位 “千克”、熱力學(xué)溫度“開(kāi)爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。自1971年以來(lái)，這 7個(gè)基本量，一直作為國(guó)際單位制的基本單位。
近年來(lái)，隨著量子技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，相關(guān)工作取得重要進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，國(guó)際度量衡委員會(huì)目前正在起草關(guān)于重新修訂SI的草案，該草案被國(guó)際計(jì)量大會(huì)采納，于2018年5月20日生效。
