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水银可以“下岗”了吗?新压强测量法诞生

来源:中检健康 编辑:中检健康 时间:2019-07-29
激光联合量子计算的压强测量法或将取代有400年历史的汞柱法。

计量学领域正在掀起一场革命。今年5月,国际单位制(SI)的基本单位刚刚被重新定义,计量学家已经对准下一个目标了——压强(pressure)。美国科学家发明了一种定义压强及其导出单位帕斯卡(pascal)的新方法,并预计能在一年之内取代从1643年就开始使用的汞柱法。

 

美国科学家发明的固定长度光学谐振腔(FLOC)基于量子原理测量压强。
图片来源:美国国家标准与技术研究院

压强是指分布在单位面积上的力,帕斯卡的定义为1牛顿每平方米。近400年来,接近大气压的压强都是用一种含汞的压力计进行测量的。美国国家标准技术研究院(NIST)拥有世界上最精确的压力计之一,这台巨大的“基准器”是其他所有压力传感器的调校标准。不过,NIST的科学家最近发明了一种更为精确的压强测量法。新方法将压强看作一种能量密度,这种物理表述与“每单位面积上的受力”是完全等价的概念,因为它依然由各类国际基本单位导出。NIST提出直接用激光探测腔内的气体原子来测量压强。团队希望明年能够证明他们的仪器可以媲美压力计,并让更多的计量实验室将其作为新基准。

如果新方法能够得到计量界的普遍接受,汞很有可能就要退出历史舞台了。汞作为一种有毒的元素,已经在国际范围内被禁用。此外,新技术将使用自然界的基本常数直接测量压强。也就是说,计量学家可以直接得到帕斯卡,而不用像压力计一样需要依赖密度等其他预先测量的物理量。中科院理化技术研究所的高波表示,理论上说,这种方法可以让任何一个人从第一性原理出发直接测量压强,而不用像现在这样对着基准进行“繁琐”的校准。据悉,高波研究的也是类似的极低温测量方法。

极限施“压”

计量学家一直希望能找到压力计的替代品。压力计的工作原理可以追溯到1643年意大利物理学家托里拆利发明的水银气压计。现代压力计里有两根汞柱,汞的重量会平衡截面上的受力,通过重力和汞样本的密度就能计算出压强。然而,测量密度值需要极大的工作量,科学家平均几十年才会测一次。此外,压力计的精度也已逼近极限。相比之下,新方法的不确定度还有很大的进步空间,领导该项目的NIST计量学家Jay Hendricks解释道。

NIST的新型压力传感器名为“固定长度光学谐振腔”(FLOC),将一束激光穿过充满气体的腔室的速度与相同激光穿过真空的速度进行比较。光速会随着气体密度的变化而改变,而量子化学家能够根据原子性质计算出这种变化。在稳定温度场中,计量学家只需将这些密度的测量值(即谐振腔内的粒子数)与玻尔兹曼常数(一个将温度与动能联系起来的常数)相结合,就能计算出气体的“能量密度”,而这个值就是我们所要的压强。

Hendricks称这种方法“很简洁”,因为它通过谐振腔里的气体粒子数来计算压强,只需量子计算和一个自然界的基本常数。他说:“本质上说,这是在对压强‘量子化’。”这完全符合SI基本单位最新定义的精神——修订后的基本单位全由它们与基本常数的关系进行定义,不再依赖任意选择的参照或物体。“从计量学的角度上说,这简直太棒了。”他补充道。

高波也认为新方法大有可为。但仍有一些方面需要完善,比如气体中杂质对测量结果的影响,以及实验中谐振腔的形变情况,都要一一解决。目前,研究团队正在抓紧攻克这些问题,进一步降低测量的不确定度。Hendreicks相信,不用一年,FLOC就能作为特定压强下NIST校准工业界传感器的新基准了。

团队表示,FLOC量值在大气压下的不确定度为6 ppm——几乎与汞柱法最低3 ppm的不确定度相当。测量更低的压强时,FLOC的不确定度会降到汞柱法的三分之一。英国国家物理实验室(NPL)的计量学家Stuart Davidson评价结果“非常出色”。

 

位于美国盖瑟斯堡国家标准技术研究所的FLOC设备。
来源:NIST

 
化“压力”为动力

但NIST必须说服其他国家的计量学家,向他们证明FLOC可以投入使用了。NIST的第一步是先将FLOC作为自己的基准器。为此,NIST需要让激光法和它的压力计来一场“比武”,并发表相关结果。压力计曾在国际计量委员会下属机构的监督下通过对比试验进行过国际校准。此外,NIST还应组织内部审议。为了让FLOC的准确率得到官方机构的认可,NIST还需向同一个组织递交申请,请求监督它与德国国家计量研究院(PTB)传统压力计的对比试验。

想要让计量学家心悦诚服地拥抱新方法,可能还要在其他实验室造出第二台FLOC,并争取达到同样的结果。当前,包括PTB在内的一些国家级计量实验室正在建造FLOC的等效设备,但尚无一家达到标准。Davidson说:“从新实验的检定到大家的信任,还要很长的路要走。”

理论上说,由于所有SI基本单位如今都与基本常数直接挂钩,任何将物理量与这些常数联系起来的方法,只要足够严密,都可以用来定义某个单位。从这个层面上说,FLOC自动满足定义压强的条件。但在实际操作中,没人知道国际计量学界需要多少证据才愿意承认FLOC是一种更有效,或是更好的方法。“我们只能走着瞧了,”Davidson说。

与此同时,NIST团队还在开发一个可移动的FLOC原型,提高工业测量的精度。比如,飞机上的高度计一般通过气压测量飞机的高度。测量精度的提高可以减小飞机之间的距离,降低燃料消耗。此外,团队还在改良这种方法,以便用于测量更高的压强。目前测量高压准确率最高的是活塞压力计。

英国国家物理实验室的另一位计量学家Michael de Podesta表示,NIST提出的新方法,其优势不仅体现在实际测量上,提高压强测量精度可以从根本上推动科学发展,这就和提高图像分辨率一样。他说:“我们对压强的测量越精确,我们所看到的世界就越清晰。这就好比图片,只有先造出看的设备,才知道我们能看到什么。”

原文作者:Elizabeth Gibney
原文以Pressure’s 400-year-old measurement techniques get an upgrade为标题
发布在2019年6月20日《自然》新闻上
Nature|doi:10.1038/d41586-019-01950-9
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