不不，我們並沒有忘記插入圖片。你所看到的是一個光度實驗室內，就快開始測量時的典型景象。或許你能在圖片左下角看到由測量設備中LED發出的一點微光。一旦測量開始，這團黑暗將被光明驅散——因為這樣的實驗室正是國際單位制（SI）發光強度單位坎德拉的計量學發源地。
在這樣的實驗室裡，我們測量從燈泡等物體中發出的光的特性。由於我們只應測量從光源直接發出的光，並儘可能避免任何反射的光或稱「光汙染」帶來的影響，所以光度實驗室的牆面、地板、天花板和其它平板都被塗成了適合光度測量的、可以吸收光線的黑色。
儘管實驗室內部被設計得儘可能暗，但這裡的工作人員和傳說中那些喜歡陰暗、痴迷研究的科學怪人可不是一回事兒。他們不會在儀器周圍昂首闊步，更不會在光源打開的瞬間大喊一聲「它活過來了！」
呆在陰暗實驗室的科學怪人，你想起了誰？
相反，他們會認真按照非常精準的規程及指南來測量「坎德拉」。
光度實驗室（德國聯邦物理技術研究院供圖）
中國計量院輻射光度計量實驗室
與其他6個SI基本單位一樣，坎德拉有其官方定義，這也是開展上述測量的基礎：
坎德拉是發光強度的單位。當一個發出頻率為540×1012赫茲的單色輻射的光源沿指定方向的輻射強度為1/683瓦特每球面度時，光源在該方向上的發光強度為1坎德拉。為了讓科學家們能夠繼續提升測量水平，使測量結果儘可能準確，自2019年5月20日起，坎德拉的官方定義更新為：
坎德拉，符號cd，SI沿給定方向發光強度的單位。當頻率為540×1012 Hz的單色輻射的光視效能以單位lm/W，即cd sr W-1或cd sr kg-1 m-2 s3表示時，將其固定數值取為683來定義坎德拉，其中千克、米、秒分別用h, c 和△vCs定義。乍一看上去，兩種定義不甚相同。但坎德拉定義背後的物理概念並未發生實質性變化。有所不同的是，2019年起，光視效能常數將成為定義的基礎，用它的值以及指定的單位一起來規定1坎德拉到底有多「強」。
順便提一句，英文中的「坎德拉」（candela）與「蠟燭」（candle）聽上去挺像，這並非是偶然的。實際上，candela在拉丁文中就是的「蠟燭」。1948年第9屆國際計量大會期間，坎德拉被定義為發光強度的國際單位。
在此之前，世界上有好幾種不同的發光強度標準和單位。比如德國和奧地利採用的「赫夫納燭光」（Hefnerkerze，簡寫為HK）。1赫夫納燭光是一種特殊蠟燭（如圖）輻射出光的發光強度，大概等於0.9坎德拉。
赫夫納燭光（德國聯邦物理技術研究院供圖）
所以，下次當你點燃一支蠟燭的時候，你就可以對1坎德拉的強度有個大致的概念啦。
聖誕節和仙女燈（聖誕小彩燈）
你能想像一個沒有燭光的聖誕節嗎 | 圖源：EURAMET
1882年12月25日，吉爾伯特和沙利文的歌劇《愛蘭絲》在倫敦的薩沃伊劇院上演。這次演出在不經意間開啟了聖誕節的一項傳統，並一直延續至今。
起初是在劇院裡，天鵝聯合電燈公司被要求設計一些迷你燈，並能在主角小仙女所戴的花環中閃閃發光。在當時，電力照明還屬於尖端科技，這些靠藏在戲服裡的電池組驅動的星星之光，瞬間迷住了現場觀眾。「仙女燈」（聖誕小彩燈）這個詞就是這麼來的。
一年以後，託馬斯·愛迪生的同事愛德華·詹森（Edward Johnson），第一次將仙女燈裝飾在了聖誕樹上。
LED版「仙女燈」
仙女燈也可以讓「坎德拉」很好地具象化。一個乾淨的室內小彩燈發出的光大概就是1坎德拉。傳統的鎢絲彩燈和現代的LED版彩燈在發光強度上都差不多，只不過LED消耗的電能只有鎢絲燈的十分之一。
溫度測量我們好像都不陌生。但除了測量體溫以判斷我們身體是否有恙，測量氣溫以決定我們明天應該穿什麼外，溫度測量其實在更廣泛的場景中還有著十分重要的應用：
今天，讓我們一起跟著歐洲計量組織（EURAMET）的科普小品文，從熱力學溫度的SI單位「開爾文」開始，了解一下我們所不知道的溫度測量。
冰冰涼 | 圖源：EURAMET
從化學反應和食品加工控制，到天氣和氣候變化評估，準確的溫度測量對於許多日常工作都有著重要意義。幾乎所有的工程過程都取決於溫度，有的甚至到了嚴重依賴的程度。在更極端的條件下（如煉鋼所需的高溫或使用超導體所需的極低溫），正確測得溫度也同樣很重要，但這實現起來要困難得多。
溫度測量有著悠久歷史。大約在2000年以前，古希臘工程師拜佔庭的菲羅（Philo of Byzantium）提出了這樣的設計：一個裝有水和空氣的空心球，通過一根管子與一個敞口罐相聯——這有可能是人類最早的溫度計。
拜佔庭的菲羅設計的溫度計 | 圖源：Wikipedia
其工作原理如下：當球體被加熱或冷卻時，其中的空氣將隨之膨脹或收縮，導致球體通過管子向敞口瓶排水或吸水。人們後來發現，當球體的溫度從水的沸點降低到冰點時，球體中空氣的體積收縮了三分之一左右。這使得人們開始思考，如果一直對球體進行降溫的話會發生什麼。
19世界中葉，英國物理學家威廉姆·湯姆遜，即後來的開爾文勳爵，也對「無限冷」（我們現在稱之為溫度的「絕對零度」）這一概念萌生了興趣。1848年，他發表了一篇題為《關於一種絕對溫標》的文章，估計絕對零度在-273 °C左右。為了紀念他的研究，我們用他的名字來命名溫度單位開爾文。
在開爾文勳爵開展研究的那段時間，人們還未就「所有物質都是由不斷運動的微觀粒子構成的」這點達成共識。如今我們知道溫度是對這些微觀粒子熱運動的平均動能的反映，而絕對零度——0開爾文——對應著物體可以達到的最低溫度，即微觀粒子完全停止熱運動的狀態。
1960年SI創立時，水三相點的溫度被精確定義為273.16 K。這是不含氣體的液態水、固態水（冰）和水蒸氣三相共存達到平衡狀態的溫度。
之所以選擇這個溫度作為標準溫度，是因為它既方便使用，又易於復現。
相應的，開爾文被定義為水三相點溫度的273.16分之一。我們通過與標準溫度比較的辦法，來測量物體的溫度。在SI中，我們還定義了另一種溫度單位，攝氏度（℃）。以開爾文為單位的溫度數值減去273.15，就可以得到以攝氏度表示的溫度數值了：
t(°C) = T( K) - 273.15
各種攝氏溫度
之所以這麼做是為了方便以前使用攝氏溫標的各種應用。在日常生活中，我們習慣於用攝氏度表示溫度。在這個溫標下，水在0 ℃結冰，在100 ℃沸騰。注意到從開爾文換算到攝氏度需要減去273.15，那麼水三相點的溫度應等於0.01 ℃。
在新的定義中，開爾文將不再以一個人為選取的參考溫度來定義，而是以微觀粒子熱運動的平均動能來定義。定義方式如下：
當玻爾茲曼常數k以單位J K-1，即kg m2 s-2 K-1表示時，取其固定數值為1.380649×10-23來定義開爾文，其中千克、米和秒用h，c 和△v定義。
新定義生效以後，我們將可以直接用微觀粒子熱運動的平均動能來高效地測量溫度。攝氏度與開爾文的換算關係將與2019年五月之前的保持一致。
對於絕大多數用戶來說，重新定義將悄然而至，不留痕跡：水仍然在0 ℃結冰，溫度計的示值仍然正確（即使它是在5月20日以前標定的）。但是，重新定義將使全新的測溫技術成為可能，極高、極低溫測量或將最先受益。
「溫度單位重大變革關鍵技術研究」項目獲國家科技進步一等獎「溫度單位重大變革關鍵技術研究」項目組成員
溫度的準確測量事關科學研究、國防安全、能源環境和民生健康等領域。傳統溫度測量的基本標尺依賴實物性質，制約了前沿科技的發展。精確測定玻爾茲曼常數，重新定義溫度單位，是計量史上最重大的變革之一。
為此，項目組提出了定程圓柱聲學原級測溫和量子噪聲原級測溫兩種獨立的方法。通過系列關鍵技術創新，實現玻爾茲曼常數測量相應方法全球最佳測量結果。這也是全球唯一採用兩種獨立方法滿足重新定義的成果，在溫度單位重新定義的歷史性變革中做出突出貢獻。因為上述貢獻，中國計量院「溫度單位重大變革關鍵技術研究」項目榮獲2018年度國家科技進步一等獎。
基於項目發展的創新技術，為國家重大工程第四代核反應堆堆芯溫度的直接測量提供了解決方案。對於實現多種技術途徑、零溯源鏈、原位測量溫度等熱物理量具有重要意義。（選自《中國計量科學研究院2018亮點》，作者：馮曉娟 劉旭紅）
2019年：「令人激動」的改變 | 圖源：EURAMET
對我們大多數人來說，電流從插座中流出並讓電器運轉起來，是非常神秘的。正如我們人類血管裡流淌的血液一樣，電流通過我們家裡的「導電動脈」而流動，為我們每天所用的各種設備提供動力。這也是為什麼我們將電流的單位視作英雄。實際上，在2019年，安培——國際單位制（SI）電流基本單位，將發生一些「令人激動」的變化。
如今，電已是如此普遍，很多人都對它視而不見。但是，如果突然沒有了電，生活將很快變得舉步維艱。燈、電視機、收音機、電話機、計算機、洗衣機、洗碗機、電冰箱等幾乎所有的家電，都離不開電，沒有電，它們將毫無用處。試著數一數今天你用了幾次電，在享用早餐之前，你很可能已至少使用三次了！
歷史上最早有關電的工作是古希臘人做的，他們將其稱作靜電。當時，古希臘人觀察到，當琥珀與皮毛髮生摩擦時，琥珀就能吸起諸如毛髮和灰塵這樣的小物體。在英語中，電（electricity）這個單詞實際上也是源於希臘語的「electron」，意為「琥珀」。然而，在第一次觀察到此現象後，人類很多年裡都沒有對「琥珀電流」展開研究，它一直是一個謎團。在17世紀，人類再次開始了對電的研究，但直至到19世紀，這一領域的研究工作才真正開展起來。
電的快速發展也促進了計量學的進步。不僅電學量的測量變得易於實現，而且由於電在所有科學活動中的極端重要性，新的研究、新的技術和新的產業應運而生。結果是，電學測量很快佔據了計量學的各個領域。
今天，絕大多數的量甚至是非電學量，如機械屬性，都是通過電學方法測量的。
隨著對電學的認識和理解不斷深入，測量我們的英雄——安培的準確度和精密度也越來越高。1893年，在芝加哥舉辦的國際電學大會上第一次提出了安培的定義，並於1908年在倫敦舉辦的國際電學大會上得到確認。當時提出的這個「國際安培」的定義是：
每秒時間內從硝酸銀溶液中電解出1.118毫克銀的電流為1安培。這是我們現在所知的安培的早期復現。如今，測量結果表明：1國際安培等於現在的0.99985安培。
然而，這個定義有個重大缺點：它將單位與其實際的復現過程緊密聯繫在一起，也就是說，很難確保在不同時間和不同地點進行的測量都是完全一致的。最終，隨著電流發生和測量技術的不斷進步，人們發現有更好的方法來復現安培。因此，1948年第9屆國際計量大會通過了安培的新定義，這個定義一直沿用至今：
真空中相距1米的兩根無限長且圓截面可忽略的平行直導線內通過一恆定電流，當兩導線每米長度之間產生的力等於2×10-7牛頓時，則規定導線中通過的電流為1安培。隨著上述安培定義的問世，測量科學再次加速發展。精準地定義安培，意味著計量學家們能夠觀察分析不同的物理現象，並利用這些現象製造日益準確的測量儀器。例如，量子物理已為應對測量挑戰提供了很多新型獨特的解決方案。
但是，現在SI基本單位安培的實際復現方法遠不同於其官方定義。安培的實際復現方法是基於電流與電壓和電阻之間的關係，用一種稱作「約瑟夫森結」的裝置產生電壓，用「量子化霍爾效應」產生電阻。
產生電壓和電阻的這兩種方法均運用了已被人們充分認識的物理現象，它們分別基於約瑟夫森常數和馮克裡青常數這兩個物理常數（約瑟夫森和馮克裡青都是諾貝爾獎獲得者），並且都可以用自然界的基本常數：基本電荷e和普朗克常數h來表示。
使用這些常數的好處是什麼呢？無論怎樣自然常數都將保持不變，因此，利用常數來定義一個單位，就使得該單位在全宇宙都是可測量的（例如：普朗克常數在哥本哈根，羅馬或火星上均是相同的）。基於自然常數來定義的單位，也保證了測量標準的長期穩定性。
自2019年5月20日，安培的定義將是：
安培是SI電流單位，符號A，當基本電荷e以單位C，即A s，表示時，取其固定數值為1.602 176 634×10-19來定義安培，其中秒用∆νCs 定義。此次安培定義的變化是根本性的，是測量科學的一個裡程碑。重新定義將成為應對21世紀科學技術挑戰的重要支撐。
每個人其實都是一個小型發電站。我們的神經系統就是一個「電路」，不斷地以電脈衝的形式發送視覺、觸覺和聽覺的刺激信號給我們的「中央處理器」——大腦。然後，由大腦來處理這些電脈衝，這樣，我們就能看到、聽到、嘗到、聞到和感覺到熱、冷和疼痛。反過來，大腦再發送適當的電脈衝至我們的身體進行控制。感謝電脈衝！我們的心臟因此才能跳動，我們才能有意識地走路、跑步、畫畫和跳躍。不管我們是否喜歡它，我們英雄——安培——一直在每個人的身體內！
我們每個人都「充著電」的事實在醫學上很有用，特別是在診斷疾病或實施急救方面。例如，當我們的心臟停止跳動時，可使用除顫器——一種能將一定大小的電流傳送至心臟的儀器來搶救。在心臟病診斷中，經常使用到一種非常靈敏的電流測量儀器——心電圖儀。心臟病學專家通過分析心電圖儀的記錄，能夠知道很多關於心臟的狀況，是很有用的。
翻譯：陳杭杭 朱秀梅
審核：高 蔚
編輯：陳杭杭
來源：歐洲計量組織（EURAMET）
連結：https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-kelvin/
連結：https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-candela/
https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-ampere/
END