水銀可以「下崗」了嗎?新壓強測量法誕生

來源丨Nature自然科研（ID：Nature-Research）

作者丨Elizabeth Gibney

雷射聯合量子計算的壓強測量法或將取代有400年歷史的汞柱法。

計量學領域正在掀起一場革命。今年5月，國際單位制（SI）的基本單位剛剛被重新定義，計量學家已經對準下一個目標了——壓強（pressure）。美國科學家發明了一種定義壓強及其導出單位帕斯卡（pascal）的新方法，並預計能在一年之內取代從1643年就開始使用的汞柱法。

美國科學家發明的固定長度光學諧振腔（FLOC）基於量子原理測量壓強。|美國國家標準與技術研究院

壓強是指分布在單位面積上的力，帕斯卡的定義為1牛頓每平方米。近400年來，接近大氣壓的壓強都是用一種含汞的壓力計進行測量的。美國國家標準技術研究院（NIST）擁有世界上最精確的壓力計之一，這臺巨大的「基準器」是其他所有壓力傳感器的調校標準。不過，NIST的科學家最近發明了一種更為精確的壓強測量法。新方法將壓強看作一種能量密度，這種物理表述與「每單位面積上的受力」是完全等價的概念，因為它依然由各類國際基本單位導出。NIST提出直接用雷射探測腔內的氣體原子來測量壓強。團隊希望明年能夠證明他們的儀器可以媲美壓力計，並讓更多的計量實驗室將其作為新基準。

如果新方法能夠得到計量界的普遍接受，汞很有可能就要退出歷史舞臺了。汞作為一種有毒的元素，已經在國際範圍內被禁用。此外，新技術將使用自然界的基本常數直接測量壓強。也就是說，計量學家可以直接得到帕斯卡，而不用像壓力計一樣需要依賴密度等其他預先測量的物理量。中科院理化技術研究所的高波表示，理論上說，這種方法可以讓任何一個人從第一性原理出發直接測量壓強，而不用像現在這樣對著基準進行「繁瑣」的校準。據悉，高波研究的也是類似的極低溫測量方法。

極限施「壓」

計量學家一直希望能找到壓力計的替代品。壓力計的工作原理可以追溯到1643年義大利物理學家託裡拆利發明的水銀氣壓計。現代壓力計裡有兩根汞柱，汞的重量會平衡截面上的受力，通過重力和汞樣本的密度就能計算出壓強。然而，測量密度值需要極大的工作量，科學家平均幾十年才會測一次。此外，壓力計的精度也已逼近極限。相比之下，新方法的不確定度還有很大的進步空間，領導該項目的NIST計量學家Jay Hendricks解釋道。

NIST的新型壓力傳感器名為「固定長度光學諧振腔」（FLOC），將一束雷射穿過充滿氣體的腔室的速度與相同雷射穿過真空的速度進行比較。光速會隨著氣體密度的變化而改變，而量子化學家能夠根據原子性質計算出這種變化。在穩定溫度場中，計量學家只需將這些密度的測量值（即諧振腔內的粒子數）與玻爾茲曼常數（一個將溫度與動能聯繫起來的常數）相結合，就能計算出氣體的「能量密度」，而這個值就是我們所要的壓強。

Hendricks稱這種方法「很簡潔」，因為它通過諧振腔裡的氣體粒子數來計算壓強，只需量子計算和一個自然界的基本常數。他說：「本質上說，這是在對壓強『量子化』。」這完全符合SI基本單位最新定義的精神——修訂後的基本單位全由它們與基本常數的關係進行定義，不再依賴任意選擇的參照或物體。「從計量學的角度上說，這簡直太棒了。」他補充道。

高波也認為新方法大有可為。但仍有一些方面需要完善，比如氣體中雜質對測量結果的影響，以及實驗中諧振腔的形變情況，都要一一解決。目前，研究團隊正在抓緊攻克這些問題，進一步降低測量的不確定度。Hendreicks相信，不用一年，FLOC就能作為特定壓強下NIST校準工業界傳感器的新基準了。

團隊表示，FLOC量值在大氣壓下的不確定度為6 ppm——幾乎與汞柱法最低3 ppm的不確定度相當。測量更低的壓強時，FLOC的不確定度會降到汞柱法的三分之一。英國國家物理實驗室（NPL）的計量學家Stuart Davidson評價結果「非常出色」。

位於美國蓋瑟斯堡國家標準技術研究所的FLOC設備。| NIST

化「壓力」為動力

但NIST必須說服其他國家的計量學家，向他們證明FLOC可以投入使用了。NIST的第一步是先將FLOC作為自己的基準器。為此，NIST需要讓雷射法和它的壓力計來一場「比武」，並發表相關結果。壓力計曾在國際計量委員會下屬機構的監督下通過對比試驗進行過國際校準。此外，NIST還應組織內部審議。為了讓FLOC的準確率得到官方機構的認可，NIST還需向同一個組織遞交申請，請求監督它與德國國家計量研究院（PTB）傳統壓力計的對比試驗。

想要讓計量學家心悅誠服地擁抱新方法，可能還要在其他實驗室造出第二臺FLOC，並爭取達到同樣的結果。當前，包括PTB在內的一些國家級計量實驗室正在建造FLOC的等效設備，但尚無一家達到標準。Davidson說：「從新實驗的檢定到大家的信任，還要很長的路要走。」

理論上說，由於所有SI基本單位如今都與基本常數直接掛鈎，任何將物理量與這些常數聯繫起來的方法，只要足夠嚴密，都可以用來定義某個單位。從這個層面上說，FLOC自動滿足定義壓強的條件。但在實際操作中，沒人知道國際計量學界需要多少證據才願意承認FLOC是一種更有效，或是更好的方法。「我們只能走著瞧了，」Davidson說。

與此同時，NIST團隊還在開發一個可移動的FLOC原型，提高工業測量的精度。比如，飛機上的高度計一般通過氣壓測量飛機的高度。測量精度的提高可以減小飛機之間的距離，降低燃料消耗。此外，團隊還在改良這種方法，以便用於測量更高的壓強。目前測量高壓準確率最高的是活塞壓力計。

英國國家物理實驗室的另一位計量學家Michael de Podesta表示，NIST提出的新方法，其優勢不僅體現在實際測量上，提高壓強測量精度可以從根本上推動科學發展，這就和提高圖像解析度一樣。他說：「我們對壓強的測量越精確，我們所看到的世界就越清晰。這就好比圖片，只有先造出看的設備，才知道我們能看到什麼。」

原文以Pressure’s 400-year-old measurement techniques get an upgrade為標題