一場能讓計量學家“失業”的計量革命！

一場能讓計量學家“失業”的計量革命！

去年，千克（kg）、開爾文（K）、摩爾（mol）、安培（A），這幾個單位制中的基本單位被重新定義。5月20日（也就是世界計量日），新的定義將開始生效，計量界將經歷一場巨大的變化。到那時，一系列物理學常數（例如電子電荷）將不再帶有誤差棒，但這并不意味著不確定度也會消失，它們只是轉移到其他測定量中去了。

單位制中的7個基本單位這些變化應當不會引發任何麻煩，因為誤差出現在小數點之后很遠的位置，那是大多數科學家在實驗中永遠無法企及的高度。但這仍會帶來一些顯著的效果，例如，在新的單位制中，與引力測試和制藥有關的一些測量會變得更簡單也更。

單位制重新定義背后的指導原則是將計量單位與基本常數掛鉤。比如說，千克將不再會以一個特定的人工制品的質量來定義，而是將它與普朗克常數（一個定義了量子力學尺度的基本參數）聯系起來。度量衡局主任Martin Milton表示，確定新的定義并不是很難，難的是實現能將宏觀的千克與量子世界的普朗克結合起來的實驗。

儲存在法國賽弗爾的度量衡局（BIPM）內的千克原器，它是一塊鉑-銥合金圓柱體。圖片：BIPM在過去幾十年里，研究人員已經開發了兩種聯系千克與普朗克常數的實驗。

基布爾秤能夠以很高的精度測量普朗克常數，在單位制重新定義后，它可以在無需參考任何標準千克的情況下測量質量。圖片：NIST種是基布爾秤，它的工作原理是用線圈在磁場中受到的向上的磁力來平衡一塊金屬受到的向下的重力；磁力可以通過改變線圈中的電流來調節，而電流是根據普朗克常數而測得的。這樣，普朗克常數就通過電流與千克聯系起來了。

阿伏伽德羅計劃開發了一種技術來測量和估算硅-28晶體球內包含的原子數量。圖片：NIST第二種實驗是由阿伏伽德羅計劃構想出的，科學家首先將1千克均勻的硅-28晶體制作成一個近乎的球體，然后使用X射線晶體學和光學干涉技術計算出球體中的原子數量，再將其質量與普朗克常數聯系起來。

2017年，這兩種方法都基于標準千克給出了普朗克常數的數值，并且精度達到了10ppb（即十億分之十）。這樣高精度的測量使得科學家能夠反過來以普朗克常數作為定義的標準，而不是千克。因此，千克沿襲了之前出現在普朗克常數測量中的不確定度。美國國家標準技術研究所（NIST）的物理學家Stephan Schlamminger說：“不確定度就像是地毯下的一個氣泡，你可以在一個地方將它壓下去，但它會從另一個地方再冒出來。”

那么這是否意味著從5月21日開始，所有的重量測量都要重新來過？并非如此。大多數的質量測量裝置都沒有到足以探測到10ppb這一量級的變化。遭受損失的是度量衡局里的千克原器，因為它將從1千克的標準定義（不確定性為0）變成一塊質量的不確定度為10微克的金屬。不過鑒于能建立一套更簡單、更優美的單位制，這樣的代價并不為過。

對安培的重新定義則會導致其他的一些標準（例如伏特和歐姆）也會發生微小的數值變化。NIST的物理學家Dave Newell說，這種變化對于在美國為電氣標準提供原級校準服務的24個實驗室來說是顯而易見的。而這些標準所校準的儀器又反過來會校準其他儀器。不確定度會沿著這個校準的鏈條自上而下地增加，從而到后察覺不到重新定義單位制的影響。畢竟大多數研究人員并不需要到小數點后8位數。

重新定義單位的一些影響或許對小作用力的測量能讓新的單位制顯現出更明顯的影響。長時間以來，小作用力的校準一直是個問題。例如在一些引力測試中，需要測量質量小到1毫克的物體的作用力。而在現行的單位制中，1毫克的校準標準需要從1千克開始，并通過與較小質量多次比較來進行有效地細分。每一次的質量細分都會增加測量的不確定度。從1千克到1毫克，不確定度會從10ppb增長到100ppm（百萬分之百）——也就是增加了一萬倍。

有了新的單位制，我們就可以通過直接建造一個能夠測量所需精度量級的設備，來規避這種復合的不確定度。NIST的研究人員目前正在開發一種可以在10克量級上進行測量的臺面基布爾秤。與耗資數百萬美元的千克級基布爾秤比起來，這些商業秤大約需要5萬美元。更小的質量級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，而不是線圈的磁力。

制藥行業或許是能從小質量級別的秤中獲益的領域，在未來所謂的個性化醫療時代，醫務人員將根據患者的DNA圖譜為他們提供毫克水平的劑量。除了測量重量之外，靜電力秤和基布爾秤也可以被轉動到水平方向來測量其他作用力。例如，它可被用來測量一束激光對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（LIGO）等高精度實驗提供一種更直接的激光功率校準方法。

Milton認為，新的單位制的優勢在于，它為那些想要發明新方法來實踐這些單位定義的人打開了一扇大門，而之前的情況并非如此。Newell也持有同樣的觀點，他認為當我們不再以人工制品作為標準之后，實驗室就可以建造自己的內部設備，讓這些設備直接與基本常數關聯。終，沒有人需要再依靠NIST或其他設備來進行校準。Newell說：“我們實際上是在讓自己失業。”

即將到來的計量革命可能會改變科學家與測量設備互動的方式。Schlamminger表示，以前，當計量單位是以人工制品定義時，他們的目標是維持靜止：“對于人工制品，因為擔心它會被損壞，所以不太愿意使用。”但像基布爾秤這樣的機器則會鼓勵人們去使用，因為使用得越多，對它的理解也就越深刻。而且不同于人工制品的是，機器有改進的空間，它還可以變得更好。

                   一場能讓計量學家“失業”的計量革命！