单位标准已从原型进入物理常数时代

单位标准已从原型进入物理常数时代

2018/11/30

单位标准已从原型进入物理常数时代AIST 为国际单位制定义的修订贡献集体力量

2018 年 11 月，国际单位制 (SI)^*14 单位质量（千克：kg）、温度（开尔文：K）、电流（安培：A）和物质的量（摩尔：mol）的定义将被修订。其中，AIST对质量定义的修订公制标准中心 (NMIJ)作出了直接贡献。修订后的单位定义是什么？它将对日常生活和未来社会产生什么影响？担任国际度量衡委员会的 NMIJ 中心主任以及每位 NMIJ 成员定义修订的领导人之间举行了圆桌讨论。

国际单位制的起源和 AIST 的作用

臼田2018年11月，国际单位制（SI）七个基本单位中质量、温度、电流、物质数量中四个的定义进行了修订，预计将实现更准确的定义。我们，AIST 国家计量研究所 (NMIJ)，也为本次修订做出了重大贡献。所以这次，我想听听大家支持日本这四个单位的测量标准的意见，但首先我想总结一下基础知识。

4872_5202^*2今年，我们终于决定将质量标准从原型改为使用物理常数的标准。

　NMIJ 的使命是研究和开发日本测量技术并开发、维护和提供测量标准，自其前身中央计量研究所于 1903 年成立以来，除了支持测量标准之外，还积极参与这些国际单位标准的制定。这一次，我们终于能够在修改质量定义方面发挥重要作用。这件事就让藤井先生来谈谈吧。

为修订质量单位的定义做出了贡献

藤井1983 年，我开始意识到要修改质量的定义，当时 AIST 还不存在，NMIJ 是一个独立的计量机构。当我来面试时，我听说X射线可以用来精确测量硅晶体中原子之间的距离。此时，NMIJ已经开始研究修改千克的定义，为此，阿伏加德罗常数^*3。加入研究所后，我负责水密度的绝对测量，但从1988年开始测量高纯硅晶球的密度，也开始测量阿伏加德罗常数，此后我继续研究改变质量单位的定义。

臼田在国际单位制定义中，只有质量千克保持其原始形式。

藤井原因是铂铱合金制成的原型的稳定性极高（五分之一），即使以20世纪的技术创新，这种稳定性也无法被超越。为了根据基本物理常数重新定义千克，必须高精度地确定阿伏加德罗常数。在这种情况下需要的是“完美晶体”，其中各个原子理想地排列。硅是适合生产这种晶体的材料。然而，由天然硅制成的晶体存在局限性，可以获得的测量精度约为20/100百万，这不足以修改定义。说实话我当时的感受，我想我这辈子都不可能改正了。修改自 1889 年以来一直保持不变的千克定义被认为是计量学领域长期以来的“梦想”。

臼田什么时候改变的？

藤井情况在2004年发生了变化。由于自然界中的硅是多种同位素的混合物，因此不可能准确确定单个硅原子的质量。因此，启动了一项仅浓缩硅 28 并制造高纯度晶体的国际项目。这是一项困难且昂贵的研究，但由于实现了同位素富集，我们能够准确计算 1 千克硅球中包含的原子数量，并以超过原型稳定性的精度测量阿伏加德罗常数。大约在同一时间，普朗克常数^*4国外也取得了进展，最近两种方法的结果已经趋于一致，所以定义终于得到了修订。通过与德国、意大利等海外研究机构合作开展这一国际项目，日本首次直接为SI定义的修订做出了贡献。毫不夸张地说，这是梦想成真。

物质测量全球标准化的时代

臼田先生高津，我想问一下事情的数量，这有点困难。

高津“摩尔”是与物质中原子或分子数量相关的数量单位。这是你在化学课上学到的第一件事，但在日常生活中你很少听到它。摩尔的这个定义目前与质量挂钩，因此随着质量定义的修订，它也将改为使用阿伏加德罗常数。

　我的职业生涯始于AIST的前身——产业科学技术厅化学技术研究所，从事生化标准物质的研究，但转折点是2001年AIST成立，物质含量标准被纳入NMIJ。当《米制公约》成立物质数量咨询委员会，参与生物和环境样品成分分析的国际比较实验时，我惊讶地发现结果比预期的吻合得多，并提醒我化学分析也可以从计量的角度讨论。

臼田衡量标准的重要性取决于需要这些标准的社区的规模。由于长度随处可见，长期以来对更高精度单位的需求强烈，国际分工的研究也取得了一定进展。关于物质的含量，由于元素和化合物的含量和浓度对生活和社会产生重大影响，准确性意识提高，需要与其他国家相当。

高津即使社会有要求，但没有技术来实现，修改单位的定义也是不可能的。对于物质的含量，测量技术的进步可以说是导致修订的重要因素。

温度的定义是从“水的三相点”到物理常数

臼田先生山田想询问一下温度。

山田温度单位开尔文目前是“水的三相点”^*5由玻尔兹曼常数定义，但此后为玻尔兹曼常数^*6正如质量的定义从原型千克转变为基于物理常数的定义一样，温度的定义也脱离了水这种物质，开始使用物理定律。

　然而，即使定义改变，我们的生活也不会改变。这是因为我们日常使用的“温度”并不是基于开尔文定义。基于开尔文的温度测量需要大型设备，并且无法日常测量。然而，这一修订将被定位为未来推进基于开尔文定义的高精度温度测量的一步。

臼田先生山田，你现在在做什么？

山田我曾经在一家私营公司测量温度，以研究钢铁制造工艺，但没有与“用于测量质量的重量”相对应的温度标准，我觉得再现性很困难。因此，以金属的凝固温度作为温度标准，但没有1000℃以上高温的指标。加入研究所后，我尝试通过在高温范围内开发固定温度点来解决这个问题。

臼田未来，山田先生在高温标准方面的工作很可能成为该领域的前沿。

山田在我加入时，关于修改开尔文定义的讨论尚未开始。不幸的是，我们未能及时修改温度单位的定义，但我们希望我们的技术能够在未来高温范围的标准设置中发挥作用。

电气标准也加入SI

金子我的背景和当前兴趣是固体中电子的运动和相互作用。另外，我以前的工作单位包括因在量子霍尔效应方面的工作而获得诺贝尔奖的劳克林教授，所以我对量子霍尔效应的物理及其应用特别感兴趣。我发现非常有趣的是，计量标准领域利用与工业最接近的量子霍尔效应。

　正是因为这样的情况，我加入了产业技术研究院，在进行量子电子学研究的同时，也负责了电量标准的维护和管理。记得第一次写校准证书时，我的手紧张得发抖。

　这次，电流的单位安培的定义终于要修订了，这是我们期待已久的事情。这是因为当前的电气标准并不直接基于 SI。 SI 定义的电流单位是一个与质量和长度相关的复杂单位，但在现实的电力世界中，它是普朗克常数和基本电荷。^*7的更准确标准组合已创建。现在，随着普朗克常数和基本电荷的定义，电现在可以牢牢地包含在 SI 中。

臼田普朗克常数的测定也是电力领域的一项突破。

金子修订后，定义将变得简单：安培是由一秒钟内流动的基本电荷的数量决定的。一个接一个地传输电子是量子电子学的基本电路，称为单电子晶体管或单电子传输器件，我一直在研究这个。我们相信，我们可以利用这项技术为未来的新标准做出贡献。

一个充满单位和标准的世界，综合实力至关重要

山田至于温度，一旦在高温范围内开始基于开尔文新定义的测量，NMIJ 将最终走在温度标准的最前沿。距离我们走到这一步已经过去了20年。计量标准非常严格。

藤井质量测量技术也需要来自各个领域的技术，这次修改定义的原因是高津先生已经能够精确测量硅的摩尔质量和球体的表面。可以说，正是得益于NMIJ的集体力量，我们才能够取得普朗克常数确定的结果。

金子从综合实力来看，大众科技也涉及量子电子学。例如，使用硅的高性能量子位 28^*8可以制造出来，所以如果未来量子计算机技术发展起来，硅28有可能会变得更便宜。如果“高性能”材料变得更便宜，工业应用范围将会扩大，其他领域也会得到发展。标准是综合实力，所以其他领域的发展也是值得期待的。

臼田突破单位限制的研究也与当时科学的限制有关。因此，与单位相关的技术具有各种衍生效果。

藤井标准在质量领域变得更加重要，因为合格评定互认 (MRA) 始于 2000 年左右，每个国家都有必要制定适当的标准。计量在欧洲是一种文化，每个国家都有科学完善的标准。在这种情况下，日本标准很难得到认可。

臼田日本此次能够为定义的修订做出贡献，意义重大。

藤井我认为通过SI定义的修订，日本测量的基本物理常数的值现在已经被欧洲和美国接受，具有重大的历史意义。我们有能力创造一个新的定义，同时在此基础上推进工业应用。当质量基于普朗克常数时，就可以测量以前不可能的微小质量。如果我们使用金子先生正在研究的技术，我们将能够测量甚至最终的微小质量，并且在未来我们将能够创建与光学技术密切相关的微小质量的标准。如果能够开发出这样的技术，就可以在新药开发阶段测量稀有且昂贵的样品的质量，评估纳克级别的3D设备和薄膜，甚至通过使单个喷墨液滴的质量均匀来进一步推进制造。我相信这项技术也有望为工业做出贡献。

各种技术源于标准

臼田与单位相关的技术将增加纳米技术、生物技术等的潜力。顺便说一下，我们是首要标准^*9有什么价值？并成为重新定义的领跑者？

金子目前，AIST可以自行制造所有量子霍尔器件、约瑟夫森器件和单电子传输器件。事实上，世界上只有两三个研究所，包括AIST，可以在一个研究所中创造出所有这些东西。这导致海外联合研究的要求大幅增加，我觉得我们正在成为一个全球中心。

臼田原型是世界上唯一标准的时代已经结束，现在任何有技术能力的人都可以创建定义，拥有高技术能力将提高您的国际影响力。这对于日本维持计量标准来说可以说具有重要意义。

高津即使是看似不变的事物（例如单位）也会随着技术的进步而变得更加精确并发生变化。届时，NMIJ拥有各类测量专家，可以从多个角度验证研究结果，这在创建高精度标准时将具有优势。我想利用这些知识通过创造新技术和必要的标准来继续为社会做出贡献。

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*1：国际公认的单位系统，作为公制系统的继承者。有七个基本单位，包括长度（米）、时间（秒）和光度（cd）。[返回来源]
*2：描述自然现象的物理定律和方程所必需的常数。[返回来源]
*3：本次修订SI之前，定义为“0012千克”¹²C”中包含的原子数。 1摩尔物质所含原子、分子等的数量。旧定义没有指定该数字，但在新定义中，摩尔由阿伏加德罗常数定义。[返回来源]
*4：普朗克常数和光子频率的乘积代表光能的最小单位。由于阿伏加德罗常数和普朗克常数之间存在严格的关系，因此可以使用测量原子数的技术根据普朗克常数创建质量标准。[返回来源]
*5：冰、水和蒸汽共存并处于热平衡的状态。温度为 001°C、压力为 6117 Pa 的点。[返回来源]
*6：气体常数，是与气体类型无关的比例常数除以阿伏伽德罗数。它是分子动能与绝对温度之间关系的量度。[返回来源]
*7：指1个电子或1个质子的电荷（电量）的绝对值。[返回来源]
*8：传统计算机中使用的位具有“0或1”的状态，但由于量子力学叠加，位可以变成“0和1”。[返回来源]
*9：作为测量可追溯性起点的最高标准。[返回来源]