通過確定玻爾茲曼常數,PTB正在為重新定義溫度單位鋪平道路

2021-02-15 計量測控

目前，溫度單位開爾文的準確度提升可以說只能依靠水了，也就是水的三相點溫度。換句話說，溫度的基本單位取決於性質可能變化的材料。但是這種情況即將發生變化：2018年秋季，開爾文以及國際單位制(SI)的所有其他單位都將根據由基本常數組成的堅實且不變的基礎而重新定義。開爾文將以玻爾茲曼常數為基礎，來自德國聯邦物理技術研究院(PTB)的科學家現在已經通過介電常數氣體溫度計確定了這個常數，並且其準確度足以排除妨礙重新定義溫度單位開爾文的所有障礙。該項研究結果已在《計量學》(Metrologia)期刊上發表。


圖中PTB科學家Christof Gaiser手握的正是介電常數氣體溫度計的核心部位。這些不同的銀色壓力容器都有特殊的電容器，它們充滿氦氣以進行內部的測量。

目前，SI基本單位開爾文的定義仍然基於水的材料性質：三相點。只要溫度明確，水既可以呈現固態，也可以呈現液態和氣態。但是，由於沒有兩處水域是完全相似的，因此水的三相點取決於所用水的同位素組成。儘管來自世界各地的物理學家已經就「標準水」達成一致，但這種情況遠非理想。因此開爾文與千克或摩爾面臨著同樣的問題：它們都是基於材料的性質，無論是所謂的「原器」(例如千克的國際原器，它是由鉑-銥合金製成的圓柱體)還是水(如開爾文)。所有這些材料在許多方面都是可變的。2018年秋季將召開一次大型國際會議，屆時整個國際單位制(SI)都將進行重新定義。從那時起，所有單位都將基於一組基本常數，即物理宇宙的不變特性。這些常數將成為「所有事物的衡量標準」。

適於溫度測量的基本常數是玻爾茲曼常數kB。它表明氣體的熱能(即氣體顆粒的運動)與溫度的關係。在密閉容器中，可以通過確定氣體的壓力來測量動能。這可以通過聲學氣體溫度計來完成(準確度符合要求)。英國、義大利、法國、中國和美國的計量機構在進行相應測量時，測量不確定度都小於1ppm(百萬分之一)，從而實現了溫度計量諮詢委員會(CCT)為開爾文重新定義制定的第一個條件。然而，另一個條件規定，還需要用第二種不同的方法達到類似的測量不確定度。為此，PTB於2007年啟動了介電常數氣體溫度計項目，該項目的測量不確定度目前已達到1.9 ppm，因此符合要求的準確度。

這種特殊溫度計所基於的原理是利用稀有氣體氦作為電介質來改變電容器的電容。因此，可以通過電測量來測量給定壓力下氦氣的密度，然後再通過密度來測量溫度。此外，電容測量值可以達到非常高的準確度。在這種情況下，測量不確定度僅為十億分之幾。然而，為了達到這樣的精確度，每一項的調節都要非常完美：科學家們必須確定高壓(高達7 MPa，幾乎接近不可能)下電容器的材料特性，並確保所用氣體的純度高於99.99999%。此外，PTB必須改進基於壓力天平的最佳壓力測量標準。得益於PTB內部的各種合作項目(特別是「壓力」和「幾何標準」這兩個工作組)以及大規模的國際合作，PTB已成功取得了這些全球獨一無二的研究成果。

現在玻爾茲曼常數已經通過至少兩種獨立的方法進行了測定且獲得了足夠的精確度，CODATA在2017年9月計算了最終的kB值。「CODATA基本常數任務組」是一個國際專家組，其任務是評估全球計量機構測量的基本常數值，並使這些值相互一致。這將為根據基本常數重新定義開爾文鋪平道路。我們可以期待2018年秋季的座右銘是：「為一個全新的SI清空舞臺!」

——編譯：李莉萍

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