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

2021-02-25 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

　　如有科技文獻外文檢索、翻譯等服務需求，歡迎來函來電！

　　聯繫人：李莉萍

　　郵箱：liliping@jlck.cn

　　電話：010-62457159

　　微信：liliping304

【小編叨叨】號外號外！！計量測控推出全新版塊——海外聚焦，我們定期翻譯整理計量檢測相關的國外科技動態、文獻資料，方便讀者進行參考交流！如有科技文獻外文檢索、翻譯等服務需求，歡迎來函來電！

相關焦點

  • 我國玻爾茲曼常數kB定義研究獲新突破
    本報訊 國際計量委員會（CIPM）建議採用自然基本常數——玻爾茲曼常數（kB）來定義熱力學溫度單位開爾文（K）。準確絕對地測量玻爾茲曼常數，使其不確定度達到新定義可以接受的水平，是國際計量界面臨的極大挑戰。近期，中國計量科學研究院的科研人員在該常數重新定義方面獲得了重大突破。2010年12月28日，該課題通過了科技部和國家質檢總局組織的專家驗收。
  • 開爾文與玻爾茲曼常數
    國際單位制中的熱力學溫度（絕對溫度）的單位以開爾文勳爵的名字命名為開爾文（K）。絕對溫標與攝氏溫標使用相同的刻度間隔，只是絕對溫標並不是將零點任意地設定為水結冰的溫度，而是設定為物質可能具有的最低溫度。○ 不同溫度的物體會發出不同顏色的光。
  • 我國進入國際計量界玻爾茲曼常數「第一梯隊」
    國際計量委員會(CIPM)建議採用自然基本常數——玻爾茲曼常數kB來定義熱力學溫度單位開爾文(K)。
  • 科學網—玻爾茲曼常數測量和熱力學溫度基準研究獲突破
    12月28日，由中國計量科學研究院承擔的《玻爾茲曼常數測量和熱力學溫度基準研究》課題通過了國家質檢總局組織的專家驗收。
  • 重新「丈量」世界 ——千克等單位將被重新定義,國際單位制迎來...
    我們通常通過砝碼來固化這個單位概念。但現在，千克的內涵將發生重大變化，砝碼等測量實物將退出歷史舞臺，走上國際單位制舞臺中央的，將是量子等自然常數。11月16日，第26屆國際計量大會經各個成員國表決，最終通過了關於「修訂國際單位制」的1號決議。根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾等4個國際單位制分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA來定義。
  • 千克、安培等4個國際單位制SI基本單位的定義將改由常數定義
    根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾等4個SI基本單位的定義將改由常數定義，於2019年5月20日起正式生效。　　這是國際測量體系有史以來第一次全部建立在不變的常數上，保證了SI的長期穩定性和環宇通用性。就像1967年秒定義的修訂使今天擁有了GPS和網際網路技術一樣，新SI將在未來對科學、技術、貿易、健康、環境以及更多領域產生深遠影響。可以說，SI的修訂是科學進步的一座裡程碑。
  • 國際單位制迎來歷史性變革!「千克」被重新定義
    不過，就在11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經包括中國在內的各成員國表決，全票通過了關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾等4個SI基本單位的定義將改由常數定義，於2019年5月20日起正式生效。這是國際測量體系有史以來第一次全部建立在不變的常數上，保證了SI的長期穩定性和環宇通用性。
  • 國際計量標準開啟新紀元 「千克」等4項基本單位被重新定義
    根據決議，國際單位制基本單位中的4個——千克、安培、開爾文、摩爾分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數、阿佛加德羅常數定義。 決議將於下一個國際計量日，即2019年5月20日正式生效。
  • 電流單位「安培(A)」被重新定義!國際單位制SI迎來歷史性變革
    這4個基本單位，千克將用普朗克常數（h）定義；安培將用電子電荷（e）定義；開爾文將用玻爾茲曼常數（k）定義；摩爾將用阿伏伽德羅常數（NA）定義。那就是，千克（kg）、安培（A）、開爾文（K）和摩爾（mol）將重新定義。這4個基本單位，千克將用普朗克常數（h）定義；安培將用電子電荷（e）定義；開爾文將用玻爾茲曼常數（k）定義；摩爾將用阿伏伽德羅常數（NA）定義。
  • 國際單位制迎來歷史性變革「千克」等4項基本單位被重新定義
    經各個成員國表決，最終通過了關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。根據決議，SI基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數h、基本電荷常數e、玻爾茲曼常數k和阿佛加德羅常數NA定義。新定義將從2019年5月20日世界計量日起生效。這是SI自1960年創建以來最為重大的變革，是科學進步的裡程碑。
  • 質量單位——千克的重新定義
    因為這些物理常數的定義不會改變，用它們來定義包括千克在內的基本單位，就再也不用擔心隨時間推移會影響單位的量值了。　　2013年，國際質量及其相關量諮詢委員會制定了千克重新定義的路線圖，給出了千克重新定義需要滿足的4個條件，起草了千克重新定義的指南，希望在2018年國際計量大會上採用普朗克常數重新定義千克。
  • 「千克」瘦了,今天重新定義 會不會影響你買菜
    據他聽聞，二戰期間，德軍佔領法國，為保證千克原器不被損毀，被秘密保存在法國一家銀行的保險箱中，直至戰爭結束才得以返回國際計量局。↑國際計量局（BIPM）功率天平課題組，右二為李世松博士。圖據國際計量局同時，SI基本單位的定義又並非完全獨立，安培和摩爾這兩個單位在定義中也涉及到基本單位千克。
  • 見證歷史:千克等單位被重新定義,國際單位制進入「量子時代」
    11月16日，第26屆國際度量衡大會經過60個成員國代表的投票表決，重新定義了千克，新定義以普朗克常數為基準，有一百多年歷史的國際千克原器「大K」即將退出舞臺。安培、開爾文和摩爾的定義也被更新，這是國際單位制於 1960 年正式公布以來最大的一次調整。
  • 國際單位制迎歷史性變革 千克、安培將改由常數定義
    國際單位制迎歷史性變革 千克、安培將改由常數定義 原標題： 　　11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經包括中國在內的各成員國表決，全票通過了關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。
  • 國際單位千克、安培、開爾文、摩爾將全部改由自然常數定義!
    點擊上方「CAIVD」關注我們 2018年11月16日，世界科技界將齊聚法國凡爾賽，對修訂國際單位制（SI）的提案進行表決。如果提案被通過，國際單位制7個基本單位中的4個，千克Kg，安培A，開爾文K，摩爾mol，將會有新的定義，將全部改由自然常數定義。
  • 「溫度單位重大變革關鍵技術研究」項目榮獲國家科技進步一等獎
    對於實現多種技術途徑、零溯源鏈、原級法測量溫度等熱物理量具有重要意義。溫度單位的重新定義是溫度計量史上最重大的變革，精確測定玻爾茲曼常數是實現重新定義的前提和關鍵。據了解，為避免單一方法可能存在的系統誤差，國際溫度計量最高權力機構CCT（國際計量委員會溫度諮詢委員會）要求使用至少兩種獨立方法，分別實現不確定度小於3´10-6 的測定。這一要求涉及多個物理量的高精度絕對測量，是對精密測量極限的巨大挑戰。
  • 國際計量大會:「千克」等4個基本單位被重新定義
    瀏覽器版本過低，暫不支持視頻播放國家市場監管總局今天發布消息，第26屆國際計量大會昨天經包括中國在內的各成員國表決，通過關於「修訂國際單位制（SI）」的1號決議。根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾4個國際單位制的基本單位將被重新定義，於2019年5月20日起正式生效。這4個基本單位，千克將用普朗克常數（h）定義；安培將用電子電荷（e）定義；開爾文將用玻爾茲曼常數（k）定義；摩爾將用阿伏伽德羅常數（NA）定義。這是國際測量體系第一次全部建立在不變的常數上，保證了國際單位制（SI）的長期穩定性。
  • 中國計量院「溫度單位重大變革關鍵技術研究」項目榮獲國家科技...
    基於該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，提升了我國溫度量值傳遞的水平，為國防和航空航天等重要領域提供了溫度溯源支持。對於實現多種技術途徑、零溯源鏈、原級法測量溫度等熱物理量具有重要意義。溫度單位的重新定義是溫度計量史上最重大的變革，精確測定玻爾茲曼常數是實現重新定義的前提和關鍵。
  • 國際單位制進入常數時代 千克的定義變了
    中國計量科學研究院供圖 　　11日，國家市場監督管理總局召開新聞發布會，介紹質量單位「千克」、電流單位「安培」、溫度單位「開爾文」、物質的量單位「摩爾」的新定義，並宣布明年5月20日起，作為國際計量局的成員，中國將與全球其他國家一致啟用新修訂後的國際單位制。
  • 國際單位制中4個基本單位將被重新定義
    「從實物到量子——原子時誕生50周年」學術報告會召開　　國際單位制中4個基本單位將被重新定義　　光明網訊（記者 陳海波 見習記者 孟曼迪）記者8月31日從中國計量科學研究院主辦的「從實物到量子——原子時誕生50周年」學術報告會獲悉，2018年，第26屆國際計量大會將審訂新的國際單位制（SI）修訂案，千克（kg）、開爾文（K）、摩爾（mol）、安培（A）4個基本單位將被重新定義，多個SI單位將實現對時間頻率的溯源，實現「從實物到量子」的變革，SI單位量子化的大門全面打開。