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Q&A

New SI的常見問答

(2018年10月更新)

 

Q1: SI單位重新定義後,將有什麼改變呢?

A1: 公斤kg、安培A、克耳文K和莫耳mol將有新的定義,雖然選定他們做改變,但新單位與舊單位的差異無法分辨。新的定義在2018年11月之第26屆度量衡大會(CGPM)中已經通過,並於2019年5月20日生效。

 

Q2: 那麼,更改成新的定義有什麼意義呢?

A2: 目前大家質疑,利用基本的物理常數來定義公斤是否可以確保其長期穩定性,以及可靠性。安培和克耳文的新定義明顯的可以提高進行電量和輻射溫度量測的準確性,對電量量測產生立即的影響:利用約瑟夫森和量化霍爾效應已經可以做到最精準的電量量測,而新定義固定了普朗克常數h和基本電荷e的數值,則會導出確切的約瑟夫森(Josephson)和馮克立曾(von Klitzing)常數。這將消除現行利用傳統的電量單位而不是用SI單位去表達電量量測結果的需求(見答問14)。量出之輻射率和熱力學溫度(Stefan-Boltzmann常數)間的轉換因子將完全採用克耳文和公斤的新定義,導出隨技術進步而改善的溫度計量。修訂後之莫耳的定義比現行的定義簡單,它將幫助SI的使用者更瞭解「物量」的性質及其單位mole。總之,修訂的SI將更適用於本世紀的技術。

 

Q3: 秒s、公尺m和燭光cd的定義是如何改變呢?

A3: 秒s,公尺m和燭光cd的定義不會改變,但是定義的表達方式則會改變,以便與公斤kg、安培A、克耳文K和莫耳mol的新定義一致。這些新的文字敍述於2018年11月在第26屆CGPM通過,並於2019年5月20日生效。

 

Q4: 一旦修訂的SI生效,國際公斤原器(IPK)將會怎樣呢?它會被送到博物館供大眾參觀嗎?

A4: 目前沒有改變國際公斤原器存放的計畫,它將保留在BIPM,且不會展示供大眾參觀。國際公斤原器將保有一點計量利益,因此將來會偶爾監測它,盡可能避免其表面的任何損壞。未來,國際公斤原器之質量穩定性的量測可能有助於我們推斷其近期的質量穩定性。

 

Q5: 在修訂SI後,我是否可以依照現行的作法校正我的質量標準呢?

A5: 公斤重新定義後,您可以如現行的作法一樣,繼續將您的質量標準送到您們的國家計量研究院(NMI)或二級校正實驗室進行校正。但是,您們的NMI追溯到SI之公斤標準的路徑將會改變。

事實上,公斤重新定義後,BIPM將持續主辦公斤原級標準的比對,由比對決定一個共識的數值。所有具備公斤實現能力的國家計量研究院在依據新定義傳遞質量時,都必需採用此共識值,直到量測結果之分佈的數值與個別實現的不確定度相容為止,如此方能保持校正報告的國際等同,以及遵循CIPM相互認可協定之原則與所商定的條款。

在使用共識值的階段,不具備公斤新定義之實現能力的會員國家可以透過BIPM的校正服務,直接追溯到同樣的共識值。

 

Q6: 一旦各實驗室可以自己實現公斤以後,我們如何確定實驗室間的量測結果是相容的呢?

A6: 以公斤為例,當不再需要共識值時,所有實驗室就需要標明其公斤定義的追溯,且是以物理的常數所定義的。由於經常可能低估一個實驗的不確定度或犯錯,各宣稱不確定度最小之實驗室都要定期比對其量測結果,以評估其與同儕間之相容性。這個基本的機制是計量界已經存在且廣為運用的,是依據1999年建立之CIPM相互認可協定規範的作法。

 

Q7: 各NMI是否也必需利用共識值來傳遞其他三個重新定義的單位呢?

A7: 不需要。公斤是特例。在Q14和Q8中有說明電量和克耳文。至於莫耳,則維持現行的做法,沒有改變。

 

Q8: SI修訂後,我是否仍以現在的方法校正我的溫度計呢?

A8: 是的。克耳文的新定義對廣泛使用的ITS-90和PLTS-2000溫度計的校正沒有立即的影響。溫度量測諮詢委員會(CCT)已經公布關於新定義的立即和未來的好處之訊息。

 

Q9: 在修訂的SI中,公斤的參考常數是普朗克常數h,單位J s = kg m2 s-1。如果參考常數有質量單位kg,則較容易理解。我們可以說:“公斤是<某物>的質量”,例如某一特定數的碳或矽原子的質量。這個定義不是更好嗎?

A9: 在某種程度上,這是主觀的判斷。但請注意,用於定義單位的參考常數不一定要和該單位有相同的尺寸(即使尺寸相同的話,觀念上會比較單純些)。在現行的SI中,我們已經使用了幾個與定義的單元不同的參考常量。例如,長度的參考常數是光速c,單位m/s,而不是以m為指定的長度,這個定義尚未被發現不滿意。這個做法是在1960年開始的,現在安培的定義則是以一個固定的常數值為基礎,其單位為kg m s-2 A-2。(安培的新定義比較簡單。)

雖然直覺以為,用質量作為參考常數來定義公斤會更好,但採用普朗克常數則有其他優點。例如,在修訂的SI中,h和e都是已知數,那就可以得知Josephson和von Klitzing常數KJ和RK,非常有利於電量計量。(物理學告訴我們,在沒有以非常不實際的方式重新定義秒的情況下,我們無法同時確定h和「某物」的質量,例如碳12原子m(12C)的質量。)

 

Q10: 雖然Q9已經回答了相關問題,仍然有人質疑,為何公斤的定義是以h為參考值,而不是用m(12C)。爭論之一是,Kibble balance (KB, 指Bryan Kibble發明之瓦特天秤) 實驗決定的h是採用一套難用且建置費用高的複雜設備,而XRCD(X射線晶體密度)的實驗,則是利用一個矽28原子質量的量測而獲得碳12原子之質量的實驗。那麼,選擇h而不是m(12C)作為公斤的參考常數的主要原因究竟是什麼?

A10: 這是兩個不相關的問題,即:

  • 為何選擇h而不是m(12C)作為公斤的參考常數?

    一個常數的值一旦固定了,日後就不需要再量測。例如,在1983年,當SI修改為以真空中的光速c作為公尺的參考常數時,量測c值的漫長歷史就已經結束了。這對科學和技術來說好處甚大,部分原因是因為許多科學和技術領域都用到c,每當SI的c值改變時,與c值相關的諸多常數和轉換元素的值就要跟著改變,因此,將c值定義為一個確切數的決定顯然是正確的。

同樣的,h是量子物理的基本常數,因此它的SI值多方運用於現代科學和技術。隨著實驗的改進,建議的h值跟著改變,往好的說是煩人的,往壞的說呢,則是令人困擾的。定義h值的基本原理與定義c值相似,但如問題2的回答所述,h值的定義對電量量測有特殊的優點。

當然,m(12C)不可否認地是一個常數而且很重要,尤其是對化學和原子物理;這是因為原子的重量(如果你是化學家),也稱為相對原子質量(如果你是物理學家),都是源於m(12C)。無論如何,原子的重量並非取決於現行的公斤定義,因而,它們當然不受新定義的影響。

  • 選擇h或m(12C)是否就等於決定要採用KB實驗或XRCD實驗來實現公斤呢?

    不是的。參考常數的選擇是用於定義公斤,而不是應用任何特定的方法來實現公斤,而且在CGPM 2018的決議草案A中也沒有提到。我們知道任何實現都必須追溯到h,因為h將是新公斤定義中的參考常數。然而,我們也知道h/m(12C)=Q,其中Q代表確切的數值和由實驗決定之數值的乘積。依據現行內含之常數的建議值計算,Q的相對標準不確定度僅為4.5×10-10。利用一套設備,如KB,直接以h(利用量子設備進行電量量測)以及長度與時間之輔助量測,量測一個質量1kg的標準件,就可以完成公斤的實現。然而,如XRCD方法,以m(12C)量測質量1kg的標準件的實驗也可以實現公斤,這是因為m(12C)Q = h,因此以m(12C)得到h的代價是Q所增加的不確定度,這在實現新定義的內容中是可以忽略的。現在還無法預測,未來那一種實現方法會佔優勢,或者兩種不同的方法會同時存在。目前,所有的實驗都是困難而且昂貴的。

 

Q11: 修訂SI後,現行的七個基本量和基本單位是否都會改變呢?

A11: 不會。七個基本量(時間、長度、質量、電量、溫度、物量、光強度)和相對應的基本單位(秒、公尺、公斤、安培、克耳文、莫耳、燭光)都將保持不變。

 

Q12: 22個具有特殊名稱和符號之相關聯的導出單位會不會改變呢?

A12: 不會改變。在修訂的SI中,這22個具有特殊名稱和符號之相關聯的導出單位會維持不變。

 

Q13: 修訂的SI中,倍數和因數的字首名稱與符號(如kilo代表103,milli代表10-3等)會不會改變?

A13: 不會,字首的名稱和符號都將維持不變。

 

Q14: 在修訂的SI中,有任何單位的大小會改變嗎?

A14: 不會改變。所謂的「連動條件」已經建立了,以確保SI之所有基本單位的大小都不會改變,因此所有從基本單位導出的單位也不會改變。

(唯一的小小例外就是電量單位:自1990年以來,實驗中之電量單位是以約瑟夫森常數和von Klitzing常數的慣用值為基礎,而不是用它們現行的SI定義。現今,我們知道慣用值和SI值之間有小小的偏差。修訂後的SI將把實驗的電量單位連結回SI,當我們以修訂後的SI單位表達時,就會導出一次性改變之+ 0.1 ppm的電壓值及+ 0.02 ppm的電阻值。)

 

Q15: 如何固定基本常數的值呢,如定義公斤的h,定義安培的e等?你怎麼知道訂什麼值呢?如果你們選擇了錯誤的值會出現什麼問題?

A15: 我們不會固定或改變用來定義單位之任何常數的值。這些基本常數的值都是自然的常數,我們只會在以SI單位表達時固定每個常數的數值,此常數目前是可量測的數值,我們利用固定常數的數值來定義單位的大小。

例如:如果c是光速的值,{c}代表其數值,[c]代表單位,因此

   c = {c} [c] = 299 792 458 m/s

那麼,c是單位數目{c}與單位[c]的乘積,這個值永遠不會改變。然而,我們也可以選擇用不同的方式的{c}和[c],而令結果的c維持不變。

在1983年,決定將數字{c}固定為299 792 458,因此,定義速度單位[c] = m/s。由於秒s已經被定義了,這麼一來就定義了公尺m。新定義選擇了數字{c},因此,單位m/s的大小不變,從而確保了單位之新舊定義間的連貫。

 

Q16: 實際上,你們只固定了表達在單位中之常數的數值。例如,對公斤,你選擇固定普朗克常數的數值{h},表達於它的單位[h] = kg m2 s-1。但問題仍然存在:假設在改變定義後不久,一項新的實驗證明你們選擇了錯誤的{h}值,那怎麼辦?

A16: 改變確定後,自1889年以來定義公斤之國際公斤原器(IPK)的質量就必須經由實驗確定。如果我們選擇了「錯誤的值」,它只意味著新實驗將告訴我們,在SI修訂後,IPK的質量不確確實實的是1公斤。

這種情況只會影響巨量的質量量測;原子的質量和與量子物理相關的其他常數的值都不會受影響。繼續使用1889年通過之公斤的定義,就會繼續利用一個參考量(即IPK的質量)做實驗,那麼,我們不能確保隨著時間的變化,相較於一個真正的不變數(如原子的質量或普朗克常數),這個參考量不會改變。

多年來,對於一個真正物理常數的質量,一直有很多爭議,大家關心IPK的質量究竟會改變多少。新定義的優點是我們可以確定用於定義公斤的參考常數是真正的不變數。

 

Q17: 每個用來定義單位的基本常數都有一個不確定度,我們不知道它的值是多少,但提案卻確實地固定了常數的數值。你們怎能這麼做?不確定度又會怎樣呢?

A17: 現行的公斤定義將IPK的質量精確地固定為1公斤,不確定度為零,即ur(mIPK) = 0。現在經實驗決定的普朗克常數有一個相對標準不確定度1.0×10-8,即ur(h) = 1.0×10-8。

在新定義中,h的值會完全跟著它的SI單位,因此ur(h) = 0,但IPK的質量則必須經由實驗確定,而且會有一個 ur(mIPK) = 1.0×10-8的相對不確定度。因此,在新定義中,不確定度會存在,而且變成過去之參考標準的不確定度,如下表所示。

定義公斤所用的常數現行的SI狀態:不確定度修訂的SI狀態:不確定度
IPK的質量, m(K) 確定數:0 實驗:1.0 × 10−8
普朗克常數, h 實驗:1.0 × 10−8 確定數:0

 

Q18: 普朗克常數的單位是運動單位(與時間相關單位),J s = kg m2 s-1。固定普朗克常數的數值如何定義公斤呢?

A18: 固定h的數值確實定義運動單位 J s = kg m2 s-1,但是如果我們已經定義了秒s,以之固定銫超精細躍遷頻率ΔνCs的數值;並定義了公尺m,以之固定真空中之光速的數值c;那麼,固定kg m2 s-1的大小就具有定義kg的效果了。

 

Q19: 難道所提議修訂的SI之基本單位的定義不是循環定義,而且不會因而令人不滿意嗎?

A19: 不是的,他們不是循環的,所謂循環定義指的是利用定義的結果制定定義。而在修訂的SI中,基本單位之個別定義的文字敍述,說明各單位之相應參考常數的數值,而不是利用結果來制定定義。

 

Q20: 如果我們固定了所有基本常數的值,我們還能檢查物理的一致性嗎?

A20: 我們並沒有固定所有基本常數的值,只固定了少數常數以及其組合的數值。這具有改變單位定義的效果,而不會改變物理方程式,而且不會讓研究人員無法檢查方程式的一致性。

 

Q21: 物理常數c, h和e都會有固定的數值,這難道不會固定了具備精細結構之常數的值,而這些值又是不應該被固定的?

A21: 不會的。精細結構常數的值將繼續經由實驗確定。在SI中,精細結構常數總是取決於c, h, e和μ0。第四個常數是真空磁導率,目前用以定義安培,但在SI修訂後,這個值將經由精細結構常數的量測實驗確定之。

 

 

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