向“水银柱”说再见

国家标准技术研究所的定长光学谐振腔是一种新的压力测量方法。资料来源:NIST

计量革命正在加速。2019年5月，国际计量大会通过了启动新修订的国际单位制(SI)的决议后，计量学家有了一个新目标:压力。美国研究人员现在已经开发出一种新的方法来定义压力及其导数国际单位。基于水银的压力单位帕斯卡的测量方法从1643年开始使用。新方法可能在一年内完成更换。

每单位面积的力通常被定义为压力，1帕斯卡相当于每平方米1牛顿的力。过去，帕斯卡是由一个基于水银的气压测量装置来测量的。马里兰州的国家标准和技术研究所(NIST)拥有世界上为数不多的最精确的压力计，作为其他压力传感器的校准基准。

但是现在NIST的研究人员已经开发了另一套高精度的压力测量方法。这种方法的基本原理是将压力视为能量密度，即单位体积中包含的能量。能量密度的单位也来源于国际单位制。

这种新方法用光来测量压力，精确度更高。该设备是由气体和真空通道组成的光学谐振腔。通过探测空腔中的气体原子来确定压力。研究小组希望明年能证明这种装置的精确度与压力计相当，并鼓励实验室使用这种装置作为测量标准。

如果这种方法被计量界广泛接受，这意味着对汞的需求将会减少。汞有毒，可能面临国际限制。此外，新技术通过自然基本常数直接测量压力，这意味着科学家可以获得1帕斯卡的值，而不依赖于压力计测量的其他量，如密度。

理论上，这种新方法可以让任何人都有机会使用基本原理来测量压力，而无需繁琐的工作。中国科学院物理与化学技术研究所的高级工程师高波说，他的团队正在研究一种测量极低温度的方法。

改进空间

长期以来，计量学家一直试图使压力表的测量结果更加准确。最初的压力计可以追溯到1643年意大利物理学家埃万杰利斯塔·托里拆利发明的水银压力计。

现代版本的压力计包含两个水银柱，通过平衡压力和水银重量产生的力来测量。压力测量的重要基础是汞样品的密度，但是获得更精确的密度值是研究人员一直在努力做的事情。

NIST计量学家杰伊·亨德里克斯说，现有的压力表已经达到精度极限，而新的压力测量方法仍有很大的改进空间。

NIST这次提出的新压力传感器的精确名称是固定长度光学谐振腔(FLOC)。它可以比较激光通过膨胀腔的速度和真空中相同光束的速度。光速随着气体密度的变化而变化，量子化学家可以根据原子的性质来计算它。

在稳态温度系统中，计量学家可以将这些密度测量值(模拟空腔中的粒子数)与Moltzmann常数结合起来，Moltzmann常数将温度与动能联系起来，以计算气体的“能量密度”，即压力。

亨德里克斯将这种方法描述为“简洁”，因为它只使用量子计算和自然基本常数来计算空腔中气体粒子的数量，从而获得压力测量结果。“本质上，我们有‘量化’的压力，”他说。“这是新一代国际单位制的精神。现在，这些基本单位与基本物理常数相联系，而不是通过其他任意引用的对象。从计量的角度来看，这真的很棒。”

高波表示，NIST新一代压力测量技术潜力巨大，但仍有一些问题需要解决，如气体中的杂质如何影响测量结果和实验过程，以及如何消除这种影响。亨德里克斯说，FLOC可以在一年内优化成为特定条件下压力测量的初步工业测量标准。

该研究小组表示，在正常大气压下，絮凝物测量结果的不确定度为百万分之六，几乎相当于水银气压计的精度，不确定度低至百万分之三。测量低压时，其不确定度是水银压力计的1/3。国家物理实验室的计量学家斯图尔特·戴维森说这项工作“令人印象深刻”。

变革的驱动力

然而，其他国家的计量学家要说服他们采用絮凝物作为计量标准还需要一段时间。NIST将首先承诺采用絮凝物作为其主要测量标准。为此，NIST将公布和比较新老方法测量的结果，并进行内部审查。在国际度量衡委员会的一个附属机构的监督下，结果得到了证实。

此后，为了获得官方批准并确保絮凝物结果的准确性，NIST必须向同一机构申请将设备的测量结果与德国布伦瑞克计量学院的传统压力表进行比较。

为了使新的测量方法更广泛地被接受，计量学家可能需要看到另一个实验室复制第二个絮凝物并获得相同的测量结果。其他国家的测量实验室正在开发同样的设备，但这需要一些时间。

戴维森说，对于新的测量设备来说，它的准确性和人们对它的信任需要很长时间才能建立起来。

从理论上讲，由于国际单位制的基本单位现在是由常数来定义的，一旦有了一种将压力量与常数联系起来的可重复的、细致的测量技术，这种测量方法就应该被接受。

根据这些定义，絮凝物将成为一种定义压力的方式，但在实践中，没有人知道国际社会在接受新方法之前需要证明多少证据，“这可能是一个先例”。戴维森说。

与此同时，NIST团队正在开发基于FLOC原型的便携式版本，以实现更精确的工业测量。这将对半导体芯片、飞机制造和其他行业产生重要影响。例如，精确的压力测量将有助于飞机降低油耗。

该团队还在调整相应的方法，以使新方法适应更高的压力环境。目前，测量高压环境的精确方法之一是活塞式压力计。

不良贷款计量经济学家迈克尔·德·波德斯塔(Michael de Podesta)表示，NIST新方法的优势不仅在于它的实用性，还在于它从根本上促进了科学发展。“就像提高图像分辨率一样，当人们能够更精确地测量压力时，他们就能更清楚地看到世界。就像一幅画。你不知道你会看到什么，直到你建立了相应的观察设备。”(任芳燕)

《中国科学日报》(2019-06-27第三版国际版)