关于新SI,你想知道的都在这儿

计量资讯中国市场监管2019-05-13 08:53

2018年11月,第26届国际计量大会CGPM有望通过相干决定,对国际单位制(SI)进行修订。这将使SI各个基础量和单位建立在一系列基础物理常数上,从而以更高的牢固性、复现不受时空束缚等优势,满足科学摸索、技巧发展等人类运动在长远未来的需求。如果决定被通过,新SI将于2019年5月20日起正式生效。新SI到底转变了什么?为什么要做出这样的转变?新旧SI更替之际需要我们做好哪些筹备?国际计量局(BIPM)梳理并答复了关于新SI最常被问到的16个问题,一起来懂得一下吧。

01/16

Q:与现行国际单位制(SI)相比,新SI中的7个基础量和单位会产生变更吗?

A:不,它们将保持不变。

02/16

Q:SI中相互关联的、具有特定名称和符号的22个导出单位是否会产生变更?

A:不,它们将保持不变。

03/16

Q:新SI中,用于表述单位的倍数或因数的前缀名及其符号(例如用“kilo/千”代表103,用“milli/毫”代表10-3等)是否会产生变更?

A:不,这些前缀和符号将保持不变。

04/16

Q:新SI单位的大小会产生变更吗?

A:不会。

05/16

Q:那么什么产生变更了?

A:新SI中的千克/kg,安培/A,开尔文/K,摩尔/mol将拥有新的定义。新定义经过了精巧考量,以保证其生效之时,新单位的大小和旧单位的大小完整一致。

06/16

Q:那么修正定义的目是什么?

A:用基础物理常数重新定义千克将确保其具有长期牢固性,从而使其更加可靠。这是现行千克定义所不能保证的。

安培和开尔文的新定义将极大提升与它们相干的质量、电学量以及辐射温度测量的正确度。这将即刻对电学测量产生影响:最正确的电学测量需要根据约瑟夫森效应和量子化霍尔效应——而新的SI单位固定了普朗克常数h和基础电子电荷常数e的数值,这也使约瑟夫森常数和冯·克里青常数具有确实的数值。这将终结电学测量成果必须采用传统电学单位而不是SI单位来表达的局面。

新的开尔文和千克定义将固定辐射能量和热力学温度间转换因子(斯特藩-玻尔兹曼常数)的数值,这将引领温度计量随科技进步。

新的摩尔定义将比现行定义更简略,它将援助SI的利用者更好懂得“物质的量”的本质和单位。

07/16

Q:SI中其它三个基础单位秒/s、米/m、坎德拉/cd定义又将如何呢?

A:秒、米、坎德拉的定义将不变,但是它们的表达方法会有必定转变,以与千克、安培、开尔文和摩尔新定义的表达方法相一致。

08/16

Q:你们将如何通过固定h的量值来定义千克,或通过固定e的量值来定义安培,诸如此类?你们怎么知道它们应固定到什么值上?如果你们突然创造选择了弊病的值会怎么样?

A:我们并不固定——或修订——任何用于单位定义的常数的量值。基础物理常数的量值是天然不变的,我们只是固定每个常数在采用SI单位进行表达时的数值。我们通过固定基础常数的数值来定义常数测量单位的大小。

例如:若c是光速的量值,{c}是它的数值,[c]是单位,使

c = {c} [c] = 299792458 m/s

则量值c是数值{c}和单位[c]的乘积,量值c永远不变。乘数{c}和[c]或许会经由其他方法重选以保障乘积c不变。

1983年,我们决定将数值{c}固定为299792458,并以此定义了速度的单位[c]= m/s。由于时间单位秒/s已经(通过原子跃迁频率)定义了,所以这重要起到了定义长度单位米/m的效果。新定义之所以选择这个数值,是为了保证单位m/s的幅值不变,从而保证新旧单位的持续性。

09/16

Q:OK,你们实际上只是固定物理常数在利用新单位表达时的数值。以千克为例,你们选择固定普朗克常数以新单位[h] = kgm2s-1表达时的数值{h}。但问题是,如果在SI修订不久后,有新的实验成果表明你们选择了弊病的{h}又该怎么办?

A:在做出转变后,用于现行千克定义的国际千克原器(IPK)的实际质量将通过实验来断定。如果我们选择了“弊病的值”,它仅仅意味着新的实验告诉我们IPK的质量在新SI中并不正确等于1 kg了。

虽然这种情况可能看起来好像有问题,但它只会影响宏观的质量测量,不会对原子质量以及其它与量子物理相干的常数的值产生影响。但如果我们仍沿用千克的现行定义,我们将持续承担由参考值(如IPK的质量)不牢固带来的成果——与真实不变的常量如原子质量或普朗克常数相比,它们已被证明会随着时间变更了——尽管没有人确实知道它毕竟转变了多少,但可以断定的是自1889年IPK被用于千克定义以来,IPK的质量产生了多达几乘以10-7的变更。新定义的优势在于,我们将知道用于千克定义的常数是真实不变的。

10/16

Q:每个被用于单位定义的基础常数都有各自的不断定度;它的值并不能确实得知。但是新SI打算固定它们的确实数值?这是如何做到的?它们的不断定度呢?

A:现行SI将1 kg定义为IPK质量的确实值,其不断定度为零:ur(mIPK) = 0;而普朗克常数的值是通过实验测定的,其相对标准不断定度大约是4.4×10-8,即ur(h)=4.4×10-8。在新的定义中,普朗克常数的值是断定的,不断定度是0,而IPK的质量将通过实验测得,并有约4.4×10-8的相对标准不断定度。也就是说,不断定度并不会在新的定义中消散,只是如下表所示,转移到旧的参考标准上了:

用于千克定义的常数

现行SI

不断定度程度

新SI

不断定度

IPK的质量m(K)

0

~ 4.4×10-8

普朗克常数h

~ 4.4×10-8

0

11/16

Q:普朗克常数的单位与物理学的作用量(action)单位雷同:J s = kgm2s-1。我们如何通过固定普朗克常数的数值来定义千克?

A:固定普朗克常数的数值实际上定义了作用量的单位:J s = kgm2s-1。因为如果我们已经通过固定铯原子超精巧能级跃迁频△v(133Cs)hfs的数值定义了秒/s,通过固定真空中光速的数值定义了米/m,那么我们就可以通过固定单位kgm2s-1的幅值来定义单位千克/kg。

12/16

Q:新SI 基础单位的定义不是循环定义吗?这并不令人满意吧?

A:不,它们不是循环定义。循环定义是指用定义成果去建立定义。新SI中每个基础单位都是通过指定定义常数的数值来定义的,并没有用成果来建立定义。

13/16

Q:新SI中千克的参考常数是普朗克常数h,单位J s = kgm2s-1。如果用一个单位是千克的参考常数来定义它应当会更好懂得。这样一来,我们可以说“千克是<某种特定物质>的质量”,如特定数量的碳原子或硅原子质量。这样的定义不是更好吗?

A:这个断定在某种程度上是主观的。需要注意的是用于定义的参考常数并不必须与单位的量值大小雷同(尽管对于千克来说这样做在概念上会比较简略)。在现行SI中,我们实际上已经用好几个参考常数定义基础单位了。例如我们利用参考常数——光速c在以m/s为单位时的数值,而非特定的长度来定义米。这个定义在目前看来并无不妥。

尽管用物质的质量作为参考常数定义千克在直觉上更简略,但利用普朗克常数具有其它优势。比如h和e如果按SI修订议案确实地固定下来,那么约瑟夫森常数KJ和冯·克里青常数RK也可以随之固定下来,电磁计量将明显受益。

14/16

Q:抛开第13个问题的答案,仍然有人质疑用h而不是用碳12的质量m(12C) 作为千克参考定义的合理性。其中一个根据是:用于测定h值的瓦特天平(现称“基布尔天平”)实验需要用到一个操作复杂、造价昂贵的实验装置,而通过XRCD(X射线晶体密度)实验测量硅28原子质量(从而推导到碳12原子质量)则相对简略、便宜。所以选择h而不是m(12C)作为千克定义的参考常数的根本原因是什么?

A:这其实是两个不相干的问题:(1)为什么选择用h而不是用m (12C) 作为定义千克参考常数?(2)问题假定选择h还是m (12C)决定了千克量值将由瓦特天平还是XRCD实验复现;对吗?

问题(1):一旦物理常数的数值被固定下来,它不需要、事实上也不能被测量。举例来说,1983年SI以真空中光速c为参考常数重新定义了米,立刻为人类测量光速的长久历史划上句号。这极大造福了科学与技巧进步,其部分原因是光速c涉及到科学技巧的众多领域,每当SI推荐的c值产生变更,与之相干、为数众多的常数和转换因数的数值也必须随之更新。现在看来,当时固定c的数值的决定无疑是正确的。

类似的,h是量子物理的基础常数,其SI量值被许多现代科学和技巧领域所广泛利用。随着实验程度的提升,更新h的推荐值在最好情况下也是恼人的,在最糟的情况下则令人费解(at best annoying and at worst confusing)。固定h数值的根本原因与定义c类似,但它除此之外还对电学计量有特别优势,见问题6。

当然,m (12C)不可否定是一个常量,且对于化学和原子物理领域尤其重要——因为原子量(如果你是一个化学家)或称相对原子质量(如果你是一个物理学家)均建立在m (12C)上。尽管如此,原子量并不依附于现行千克定义,新定义不会对它造成影响。

问题(2):不是这样的。参考常数的选择与千克的复现方法无关,决定1也并没有提及任何复现方法。我们目前可以断定的是:一旦h成为新千克的参考常数,那么所有的复现方法必须溯源到h。但是,我们同时也断定,h/m (12C) = Q,其中Q是由多个常数因子构成的组合,包含有确实数值定义的常数和需要通过实验测定数值的常数。根据这些常数目前的推荐值打算,Q的相对标准不断定度只有7×10-10。一套直接以h模式测量1千克标准并辅以长度、时间、电压和电阻测量的装置,比如瓦特天平,可以用于复现千克;而以m (12C)模式测量1千克标准的装置,比如X射线晶体密度(XRCD)装置,也是复现千克量值的备选方案之一。这是因为m (12C)Q = h,通过测定m (12C)的方法得到h只需要(在m (12C)测量不断定度基础上)付出合成Q的不断定度的代价,而Q的不断定度(~7×10-10)对于新定义而言可以疏忽不计。现在断言哪一种复现方法终将取胜、或不同方法将保持共存都为时尚早。目前所有这些实验装置都是复杂且昂贵的。

15/16

Q:如果我们固定了所有基础常数的值,我们还能检验物理学的一致性吗?

A:我们并不固定所有基础常数的值,只是固定其中一部分基础常数及其组合的数值。这样做的效果只是转变单位的定义而非物理学方程,这也不会妨碍研究者检验物理学方程的一致性。

16/16

Q:在新SI模式下,我今后送检质量标准或温度计的流程和现在是否一样?

A:是的。大家可以和现在一样将装置送到自己的国家计量院(NMI)校准。各国的国家计量院将通过在当地建立合适的装置、或通过其他能够证明数据可靠性的方法(比如将1千克质量标准送到国际计量局BIPM校准),按照新定义复现量值。BIPM打算通过对所有复现方法(成果)进行加权平均的方法来保持千克定义的溯源性。

起源:国际计量局网站FAQ(2018年10月以前版本,最新版本即将推出)

正文已结束,您可以按alt+4进行评论
520彩票app 520彩票app下载 520彩票网址 520彩票官网 520彩票官方网站 520彩票网站 520彩票计划 520彩票人工计划 520彩票全天计划 520彩票预测