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新的计量时代即将到来,谁会受到影响?

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:443 发布时间:2019-4-25 QC检测仪器网

去年,千克(kg)、开尔文(K)、摩尔(mol)、安培(A),这几个国际单位制中的基本单位被重新定义。5月20日(也就是世界计量日),新的定义将开始生效,计量界将经历一场巨大的变化。到那时,一系列物理学常数(例如电子电荷)将不再带有误差棒,但这并不意味着不确定度也会消失,它们只是转移到其他测定量中去了。

○ 国际单位制中的7个基本单位。

 

这些变化应当不会引发任何麻烦,因为误差出现在小数点之后很远的位置,那是大多数科学家在实验中永远无法企及的高精确度。但这仍会带来一些显著的效果,例如,在新的国际单位制中,与引力测试和制药有关的一些测量会变得更简单也更精确。

 

国际单位制重新定义背后的指导原则是将计量单位与基本常数挂钩。比如说,千克将不再会以一个特定的人工制品的质量来定义,而是将它与普朗克常数(一个定义了量子力学尺度的基本参数)联系起来。国际度量衡局主任Martin Milton表示,确定新的定义并不是很难,难的是实现能将宏观的千克与量子世界的普朗克结合起来的实验。

○ 储存在法国赛弗尔的国际度量衡局(BIPM)内的国际千克原器,它是一块铂-铱合金圆柱体。| 图片来源:BIPM

 

在过去几十年里,研究人员已经开发了两种联系千克与普朗克常数的实验。

○ 基布尔秤能够以很高的精度测量普朗克常数,在国际单位制重新定义后,它可以在无需参考任何标准千克的情况下测量质量。| 图片来源:NIST

 

第一种是基布尔秤,它的工作原理是用线圈在磁场中受到的向上的磁力来平衡一块金属受到的向下的重力;磁力可以通过改变线圈中的电流来调节,而电流是根据普朗克常数而测得的。这样,普朗克常数就通过电流与千克联系起来了。

○ 国际阿伏伽德罗计划开发了一种技术来测量和估算硅-28晶体球内包含的原子数量。| 图片来源:NIST

 

第二种实验是由国际阿伏伽德罗计划构想出的,科学家首先将1千克均匀的硅-28晶体制作成一个近乎完美的球体,然后使用X射线晶体学和光学干涉技术计算出球体中的原子数量,再将其质量与普朗克常数联系起来。

 

2017年,这两种方法都基于标准千克给出了普朗克常数的数值,并且精度达到了10ppb(即十亿分之十)。这样高精度的测量使得科学家能够反过来以普朗克常数作为定义的标准,而不是千克。因此,千克沿袭了之前出现在普朗克常数测量中的不确定度。美国国家标准技术研究所(NIST)的物理学家Stephan Schlamminger说:“不确定度就像是地毯下的一个气泡,你可以在一个地方将它压下去,但它会从另一个地方再冒出来。”

 

那么这是否意味着从5月21日开始,所有的重量测量都要重新来过?并非如此。大多数的质量测量装置都没有精确到足以探测到10ppb这一量级的变化。唯一遭受损失的是国际度量衡局里的国际千克原器,因为它将从1千克的标准定义(不确定性为0)变成一块质量的不确定度为10微克的金属。不过鉴于能建立一套更简单、更优美的国际单位制,这样的代价并不为过。

 

对安培的重新定义则会导致其他的一些标准(例如伏特和欧姆)也会发生微小的数值变化。NIST的物理学家Dave Newell说,这种变化对于在美国为电气标准提供原级校准服务的24个实验室来说是显而易见的。而这些标准所校准的仪器又反过来会校准其他仪器。不确定度会沿着这个校准的链条自上而下地增加,从而到最后察觉不到重新定义国际单位制的影响。毕竟大多数研究人员并不需要精确到小数点后8位数。

 

○ 重新定义国际单位的一些影响。

 

或许对小作用力的测量能让新的国际单位制显现出更明显的影响。长时间以来,小作用力的精确校准一直是个问题。例如在一些引力测试中,需要测量质量小到1毫克的物体的作用力。而在现行的国际单位制中,1毫克的校准标准需要从1千克开始,并通过与较小质量多次比较来进行有效地细分。每一次的质量细分都会增加测量的不确定度。从1千克到1毫克,不确定度会从10ppb增长到100ppm(百万分之百)——也就是增加了一万倍。

 

有了新的国际单位制,我们就可以通过直接建造一个能够测量所需精度量级的设备,来规避这种复合的不确定度。NIST的研究人员目前正在开发一种可以在10克量级上进行测量的台面基布尔秤。与耗资数百万美元的千克级基布尔秤比起来,这些商业秤大约需要5万美元。更小的质量级别还可以选择使用静电力秤,它的工作原理与基布尔秤相似,但利用的是电容器的静电力,而不是线圈的磁力。

 

制药行业或许是能从小质量级别的秤中获益的领域,在未来所谓的个性化医疗时代,医务人员将根据患者的DNA图谱为他们提供毫克水平的精确剂量。

 

除了测量重量之外,静电力秤和基布尔秤也可以被转动到水平方向来测量其他作用力。例如,它可被用来测量一束激光对附在静电装置上的镜子所施加的力。这将为激光干涉仪引力波天文台(LIGO)等高精度实验提供一种更直接的激光功率校准方法。

 

Milton认为,新的国际单位制的优势在于,它为那些想要发明新方法来实践这些单位定义的人打开了一扇大门,而之前的情况并非如此。Newell也持有同样的观点,他认为当我们不再以人工制品作为标准之后,实验室就可以建造自己的内部设备,让这些设备直接与基本常数关联。最终,没有人需要再依靠NIST或其他设备来进行校准。Newell说:“我们实际上是在让自己失业。”

 

即将到来的计量革命可能会改变科学家与测量设备互动的方式。Schlamminger表示,以前,当计量单位是以人工制品定义时,他们的目标是维持静止:“对于人工制品,因为担心它会被损坏,所以不太愿意使用。”但像基布尔秤这样的机器则会鼓励人们去使用,因为使用得越多,对它的理解也就越深刻。而且不同于人工制品的是,机器有改进的空间,它还可以变得更好。

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