度量的藝術(shù)

思柯

度量的藝術(shù)

思柯

物理學(xué)在于觀察，通過測(cè)量予以量化，以單位進(jìn)行表達(dá)。處理物理單位的做法不斷演變，與科學(xué)家對(duì)物理學(xué)本身越來越深入的理解有關(guān)。目前全球的科學(xué)家使用國際單位制。人們很容易認(rèn)可國際單位制的正確性，而定義和建立一致又實(shí)用的單位制是一樁繁重的差事，目前這一維持和發(fā)展度量標(biāo)準(zhǔn)的工作主要由全國性度量衡學(xué)研究機(jī)構(gòu)完成。

度量衡學(xué)研究受益于物理學(xué)發(fā)展的同時(shí)，也在推動(dòng)基礎(chǔ)物理學(xué)向前發(fā)展，催生新技術(shù)。國際單位制和尖端度量技術(shù)的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了科學(xué)研究，它在商業(yè)和社會(huì)各方面都發(fā)揮著作用：沒有可靠的時(shí)鐘，大海上的安全航行幾乎不可能實(shí)現(xiàn)；當(dāng)前的高頻交易也需要極其精準(zhǔn)的守時(shí)裝置。

單位制有不少話題。為迎接2018年物理學(xué)基本單位的重新定義，Nature Physics雜志推出了度量衡學(xué)專欄，命名為“Measure for Measure”，借用了莎士比亞劇作《一報(bào)還一報(bào)（Measure for Measure）》的名字。這位偉大劇作家給予該欄目的啟發(fā)是《圣經(jīng)》式的，而不是度量衡學(xué)方面的。編輯們想表達(dá)的是：精準(zhǔn)的度量中蘊(yùn)含著藝術(shù)的元素。

對(duì)開爾文的重新定義僅僅是2018年正式生效的國際單位制的幾項(xiàng)修改之一，所有七項(xiàng)國際單位制基本單位會(huì)最終用基本物理常量來定義。度量衡學(xué)家們正忙著以更高的準(zhǔn)確度來測(cè)量玻爾茲曼常量、普朗克常量和阿伏伽德羅常量。在溫度測(cè)量法方面，研究人員運(yùn)用各種方法、依靠不同的物理原理，實(shí)現(xiàn)了令人驚艷的準(zhǔn)確度，達(dá)到百萬分之一級(jí)別精度。這么高的準(zhǔn)確度，早已暴露了1990年國際溫標(biāo)中的“錯(cuò)誤”。

物理學(xué)家思考溫度概念時(shí)，無疑會(huì)想到低溫——因?yàn)榱孔有?yīng)常常和低溫聯(lián)系在一起。如今氦稀釋制冷機(jī)能維持幾毫開爾文的低溫，有些系統(tǒng)能通過磁制冷達(dá)到100皮開爾文以下的低溫。從低溫中獲得的重要物理學(xué)發(fā)現(xiàn)數(shù)不勝數(shù)，超導(dǎo)電性、超流體和玻色-愛因斯坦凝聚大概能排上前三位。稍后將在國際空間站部署的冷原子實(shí)驗(yàn)室有著實(shí)現(xiàn)“宇宙中最冷地方”的目標(biāo)，是人類對(duì)低溫永不休止探索中的又一次示范。

另一極端——超高溫，是在核聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的，核聚變模仿了太陽能量生成的過程。將氘離子和氚離子混合物加熱到1.5億度的高溫很困難，但是能夠做到。這方面的一項(xiàng)突破是托卡馬克裝置，尤其是一種環(huán)面外形、纏繞著構(gòu)造復(fù)雜的線圈的容器。電流通過線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，約束等離子狀態(tài)下的離子和電子。正在法國南部建造的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆是一個(gè)龐大的托卡馬克裝置，目的是論證核聚變發(fā)電的可行性。

顯然，度量衡學(xué)上的進(jìn)步與科學(xué)進(jìn)展是相輔相成的。低溫物理學(xué)奠基人海克·卡末林·昂內(nèi)斯實(shí)驗(yàn)室里的箴言“door meten tot weten”將這層意思交代得很清楚：由測(cè)量獲知一切。