2018年11月13日,第26屆國際計量大會(CGPM)在位於法國巴黎市郊的凡爾賽議會中心隆重開幕,會期為4天。會中國際單位制將進行修訂。新定義將影響7個SI基本單位中的4個:千克、安培、開爾文和摩爾,以及所有由它們導出的單位,例如伏特、歐姆和焦耳。千克將由普朗克常數(h)定義;安培將由基本電荷常數(e)定義;開爾文將由玻爾茲曼常數(k)定義;摩爾將由阿佛加德羅常數(NA)定義。

那麼這四個物理量被定義的方法是什麼?新方法對物理學及相關學科的發展有什麼好處?


最初的時候,7個SI基本單位都有一個標準「物件」,作為該單位的最高標準,並以這個物件來定義單位。

好比一家生產尺子的廠商,他們有一把刻度最精準的尺子作為「母尺」,其他所有生產的尺子都要和這把母尺核對誤差。

對於「米」m,曾經的定義是經過巴黎半經線長度的1/10,000,000. 你大概能看出這個定義的問題:首先它依賴於地球本身---我們的地球雖然不是變來變去的氣球,但是也絕對不是理想剛體。這個定義也讓核對新的「刻度」非常困難。如果我沒辦法標定我新買的尺子的刻度,那麼我量出來的長度的誤差我也無法估計。在物理學工程學發展到今天這個程度,這是讓人難以接受的。當你回頭翻翻物理書和化學書,你會發現,很多我們用來認識這個世界的常數,都取決於一些基本的測量。1983年的時候,我們把米重新定義為:真空中光行駛一秒長度的1/299,792,458. 這樣,米的定義就從依賴對一個特定物體---地球,變成了依賴於某一個普遍的自然性質---真空中的光速

回到這次計量大會要改變的4個定義,最重要的改變是千克Kg這一個定義,它是七個SI基本單位中最後一個定義依賴於特定物體的單位。剩下的三個基本單位中的開爾文、摩爾由新的千克Kg定義錨定的2個常數:玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數,重新確定。以阿伏伽德羅常數為例,它的定義是12克碳12中包含的原子數,非常明顯,它依賴於Kg的定義。而目前,千克的定義依賴於存放在巴黎的一顆體積為 47立方厘米的鉑銥合金圓柱體。

很多物理量因此沒有被錨定,比如剛剛提到的阿伏伽德羅常數。對於很多物理常數的測量,我們依賴於這些基本單位的定義。但是凡是測量,就必定有誤差,再怎麼調校你的儀器,誤差都必然存在,目前最精確的測量辦法,就是借走巴黎的那顆圓柱體,或者它的眾多官方複製品之一。然而即使這樣,誤差任然不可能被完全消除,導致我們很多物理常數小數點後面很多位都不確定。但是,當我們反向思維----先用老定義用各種不同的方式,以最高精度測量無數次之後得到最為確信的物理量的數值,我們就錨定這個量作為定義,比如光速就是299,792, 458 m/s ---從此不再變了,它就是定義----然後我們再回頭修改米的定義。這樣,物理量上的不確定性就不存在了。事實上,這次確定千克,也是因為科學家們通過多種途徑測量,錨定了一個物理常數---普朗克常數,然後反過來利用公式:

E=hupsilon=mc^{2}

來確定質量單位,千克。

而新的安培定義,只與單個電子電荷量相關,與之前定義相比,和Kg、m完全脫鉤,但是任然依賴於秒s的定義。這樣做也有副作用,之前為定值真空磁導率和電導率變為依賴測量。

新定義的意義在於,從此我們認識世界,丈量世界的基本單位,都僅僅依賴於自然本生的固有性質

顯而易見的好處之一在於之前提到的,眾多物理常數因此被錨定,而減少了測量的不確定性。測量對於我們認識世界非常重要,舉例而言,我們觀測宇宙的時空曲率,數值差一點點就決定了我們宇宙的拓撲形態:到底是開放的還是閉合的?但是更重要的是我認為就這項舉措本身就有固有價值(intrinsic value),代表我們認識世界的方法更加簡潔優雅了。


kg還是那個kg,m還是那個米,只不過現在是用老定義測定了某個物理常數之後,用這個物理常數反過來重新定義這些單位。

好處是脫離實物之後,這些標準單位是常數,而不是測量值。就沒有測量不確定度了


推薦閱讀:
查看原文 >>
相關文章