對國際單位制(SI)進(jìn)行重新定義的目的是使其具備未來適應(yīng)性。
如果我們將SI視為對所有量進(jìn)行測量的基礎(chǔ)，我們希望這一基礎(chǔ)在未來始終保持堅(jiān)固。當(dāng)一個(gè)體系承受始料未及的壓力時(shí)，它可能出現(xiàn)裂縫。當(dāng)我們要求測量不斷實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度，或者在極端環(huán)境下開展測量時(shí)，如果測量單位在定義之初沒有考慮到以上這些情況，我們的單位制就會(huì)承受極大的壓力。在變革之前，世界各國已經(jīng)用了數(shù)十年的時(shí)間用實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)物理常數(shù)與單位制之間關(guān)系。試想一下，那些在建造之初沒有預(yù)見到需要應(yīng)對如此沉重現(xiàn)代交通壓力的橋梁和道路。
要對一個(gè)大于1千克的物體稱重，我們需要將更多的千克加在一起，因此可重復(fù)性能夠讓你實(shí)現(xiàn)這種增加。反過來說，對一個(gè)小于1千克的物體稱重時(shí)，我們需要對千克進(jìn)行分割。分割得越小，越難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性。把一塊巧克力切成20份也許很容易，切成2000份就沒那么簡單了。然而，許多行業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行微克甚至納克級別的測量，比如在醫(yī)藥業(yè)中，確保片劑中的準(zhǔn)確藥量十分重要。我們的目標(biāo)是確保所有尺度的測量都能實(shí)現(xiàn)同等級別的準(zhǔn)確度。
這種數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠(yuǎn)的測量問題對于溫度測量而言更加嚴(yán)峻?，F(xiàn)有定義是基于水三相點(diǎn)的定義值，即冰、液態(tài)水和水蒸氣共存時(shí)的溫度(定義為273.16K)。當(dāng)測量與水三相點(diǎn)相差巨大的溫度時(shí)(比如1500℃以上的加工金屬)，要想準(zhǔn)確地測出這一溫度比水三相點(diǎn)相差多少就變得異常困難。為了在全世界范圍內(nèi)建立可靠的測量方法，目前我們使用一本所謂“食譜”中的不同方法與水三相點(diǎn)進(jìn)行比對。然而在重新定義之后，溫度測量將不再需要與水三相點(diǎn)關(guān)聯(lián)，用戶可以使用任意一種符合其要求的基本測量方法。這種變化尚不明顯，但是它將帶來許多可能的技術(shù)進(jìn)步。
作為測量基準(zhǔn)的保存機(jī)構(gòu)，我們需要確保測量具有未來適應(yīng)性和長期可靠性。
“未來適用性”能給我們帶來什么？
很難說它能帶來什么，我們認(rèn)為如果我們有能力進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量，這將為其他活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。未來適用性能夠提振測量者的信心，因?yàn)檫@些測量能保持相當(dāng)長時(shí)間的穩(wěn)定性。
需要注意的是，未來我們有可能繼續(xù)提升基本常數(shù)的測量準(zhǔn)確度，在此基礎(chǔ)上需要改變末位數(shù)字或者增加一些位數(shù)。回顧100年前那些陳舊的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)，我們永遠(yuǎn)不確定未來是什么樣。不過比起現(xiàn)在我們要對SI進(jìn)行的變革而言，這些變化不算什么。
當(dāng)人們制造出原子鐘進(jìn)行更準(zhǔn)確的時(shí)間測量時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)仍處于萌芽期，數(shù)字革命尚未出現(xiàn)。然而，高度準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)是整個(gè)行業(yè)的基礎(chǔ)，沒有它就沒有互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電話和其他技術(shù)的成功。目前全球定位系統(tǒng)(GPS)的準(zhǔn)確度受到時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)傳遞能力的限制，因此全世界正在共同努力推動(dòng)GPS的進(jìn)一步發(fā)展。
提升極小質(zhì)量的測量能力將支撐醫(yī)藥行業(yè)，該行業(yè)一直在追求實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的藥物劑量，尤其是針對日益興起的個(gè)性化用藥。
變革會(huì)有哪些影響？
SI變革不是瞬間革命，而是長期的演變。
變革帶來的即時(shí)影響非常小，這一點(diǎn)非常重要。我們不希望將重大變革引入測量系統(tǒng)中。實(shí)際上，除了安培，變革對于測量單位的影響微乎其微。但是變革能保證SI單位的未來能力，并在定義不變的情況下為未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
變革對于電學(xué)測量的影響是立竿見影的。安培的新復(fù)現(xiàn)方法將使用新的固定基本電荷。這將導(dǎo)致10-7的變化，但是只會(huì)影響最高級別的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，對安培的實(shí)際使用沒有影響。
安培的新定義將基于電子的基本電荷，我們認(rèn)為基本電荷是一個(gè)基本自然常數(shù)。單位的復(fù)現(xiàn)方法是對通過一條導(dǎo)線的電子(每個(gè)電子帶有完全相同的基本電荷)數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，在標(biāo)準(zhǔn)定義不變的情況下，計(jì)數(shù)能力越高，復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度就越高。
我們挑選了一組基本常數(shù)作為SI的基礎(chǔ)，這些常數(shù)保持不變，但是未來技術(shù)的進(jìn)步將改變并完善復(fù)現(xiàn)過程。
本文刊發(fā)在《中國計(jì)量》雜志2017年第十期
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