宇宙常量足以徹底重新定義國際單位制

基本常量就是自然界通用的物理量。例如，在宇宙中，真空中的光速和單個電子的電荷是相同的。因此，科學家希望使用自然界的不變數來定義現代度量系統——國際單位制（SI）的七個基本測量單位，而不是依賴實物基準的測量值。

根據美國國家標準技術研究院（NIST）研究人員最近對基本常量進行的一次評估和更新，這些常量的測量不確定度現在已經降低到了極低水平，所有SI單位現在都可以與它們聯繫起來。

這種重新定義的SI可以確保這些基本單位和整個國際測量系統的長期穩定性，從而有利於科技業和工商業。

NIST的Peter Mohr、David Newell和Barry Taylor領導著科學技術數據委員會（Committee on Data for Science and Technology, CODATA）基本常量國際工作組，撰寫了基本常量的最新更新。該任務組每四年更新一次這些基本常量。這些新量代表了對這些常量的最新全面調整。2017年夏天，這個任務組還將進行特別更新，要產生4個基本常量的最終值，「國際度量衡大會」（CGPM）國際機構在2018年秋季將採用這些數值。

SI中的七個基本單位是米，千克，秒，安培（電流單位），開爾文（溫度單位），摩爾（物質的量的單位）和坎德拉（發光強度單位）。新SI的目標是完全根據精確的基本常量來定義所有這些單位。有一些常量，例如光速，目前就是以這種方式定義為精確量值。

不論是單個電子或質子的基本電荷量值，還是一摩爾物質中顆粒物的非凡數量（由阿伏伽德羅常量定義），都屬於基本常量。另一個基本常量是普朗克常量，這是量子物理學的核心量，用於將千克重新定義為自然的不變屬性，而非標準的鉑-銥圓柱體。

這次評估和更新將普朗克常量和阿伏伽德羅常量的不確定度降低至上一次評估值的近1/4，達到十億分之12（12×10-9）。之前，為了降低這些不確定度，需要協調世界各地不同「瓦特天平」裝置的測量值，並且還需要獲得一個壘球大小硅球的新的高度準確的X射線測量值，這個硅球差不多就是一個完美晶體，幾乎是由完全相同的硅同位素（99.9995％硅-28）組成。對於玻爾茲曼常量，這次更新將其相對不確定度降低了近1/2，達到百萬分之0.6（0.6×10-6），這可以用於確定在一定溫度下某種氣體中的能量。

「這4種基本物理常量的不確定度的降低是非常重要的，」NIST化學家Donald Burgess說，他也是《物理和化學參考數據雜誌》（JPCRD）的共同編輯。「這些常量的不確定度現在變得超小，這樣CGPM就可以修改國際單位制，那7個基本單位就可以根據基本常量進行精確定義。反過來說，定義自然規律的許多方程，例如通過玻爾茲曼常量表達的能量與溫度之間的關係式，現在變得非常精確，而且根據現在的定義方式，它們也不依賴於具有固有不確定度的那些測量單位。」

這次基本物理常量的更新可以參見JPCRD（由美國物理研究所出版）和《現代物理學評論》（由美國物理學會出版）。JPCRD的頒布屬於國會法案（即1968年「標準參考數據法」（公法90-396））行為，根據該法案，NIST成為聯邦政府的主要責任方，將一些重要的得到評估的科學和技術參考數據提供給科學家、工程師和公眾。

通過對普朗克常量（量子物理學的核心量）的測量，NIST-4瓦特天平有助於根據自然界的基本常量來定義所有基礎測量單位。

——編譯：李莉萍

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