宇宙常量足以彻底重新定义国际单位制

基本常量就是自然界通用的物理量。例如,在宇宙中,真空中的光速和单个电子的电荷是相同的。因此,科学家希望使用自然界的不变量来定义现代度量系统——国际单位制(SI)的七个基本测量单位,而不是依赖实物基准的测量值。
根据美国国家标准技术研究院(NIST)研究人员最近对基本常量进行的一次评估和更新,这些常量的测量不确定度现在已经降低到了极低水平,所有SI单位现在都可以与它们联系起来。
这种重新定义的SI可以确保这些基本单位和整个国际测量系统的长期稳定性,从而有利于科技业和工商业。
NIST的Peter Mohr、David Newell和Barry Taylor领导着科学技术数据委员会(Committee on Data for Science and Technology, CODATA)基本常量国际工作组,撰写了基本常量的最新更新。该任务组每四年更新一次这些基本常量。这些新量代表了对这些常量的最新全面调整。2017年夏天,这个任务组还将进行特别更新,要产生4个基本常量的最终值,“国际度量衡大会”(CGPM)国际机构在2018年秋季将采用这些数值。
SI中的七个基本单位是米,千克,秒,安培(电流单位),开尔文(温度单位),摩尔(物质的量的单位)和坎德拉(发光强度单位)。新SI的目标是完全根据精确的基本常量来定义所有这些单位。有一些常量,例如光速,目前就是以这种方式定义为精确量值。
不论是单个电子或质子的基本电荷量值,还是一摩尔物质中颗粒物的非凡数量(由阿伏伽德罗常量定义),都属于基本常量。另一个基本常量是普朗克常量,这是量子物理学的核心量,用于将千克重新定义为自然的不变属性,而非标准的铂-铱圆柱体。
这次评估和更新将普朗克常量和阿伏伽德罗常量的不确定度降低至上一次评估值的近1/4,达到十亿分之12(12×10-9)。之前,为了降低这些不确定度,需要协调世界各地不同“瓦特天平”装置的测量值,并且还需要获得一个垒球大小硅球的新的高度准确的X射线测量值,这个硅球差不多就是一个完美晶体,几乎是由完全相同的硅同位素(99.9995%硅-28)组成。对于玻尔兹曼常量,这次更新将其相对不确定度降低了近1/2,达到百万分之0.6(0.6×10-6),这可以用于确定在一定温度下某种气体中的能量。
“这4种基本物理常量的不确定度的降低是非常重要的,”NIST化学家Donald Burgess说,他也是《物理和化学参考数据杂志》(JPCRD)的共同编辑。“这些常量的不确定度现在变得超小,这样CGPM就可以修改国际单位制,那7个基本单位就可以根据基本常量进行精确定义。反过来说,定义自然规律的许多方程,例如通过玻尔兹曼常量表达的能量与温度之间的关系式,现在变得非常精确,而且根据现在的定义方式,它们也不依赖于具有固有不确定度的那些测量单位。”
这次基本物理常量的更新可以参见JPCRD(由美国物理研究所出版)和《现代物理学评论》(由美国物理学会出版)。JPCRD的颁布属于国会法案(即1968年“标准参考数据法”(公法90-396))行为,根据该法案,NIST成为联邦政府的主要责任方,将一些重要的得到评估的科学和技术参考数据提供给科学家、工程师和公众。

通过对普朗克常量(量子物理学的核心量)的测量,NIST-4瓦特天平有助于根据自然界的基本常量来定义所有基础测量单位。
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