思柯

度量的藝術

思柯

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

度量衡學研究受益于物理學發(fā)展的同時，也在推動基礎物理學向前發(fā)展，催生新技術。國際單位制和尖端度量技術的相關性遠遠超越了科學研究，它在商業(yè)和社會各方面都發(fā)揮著作用：沒有可靠的時鐘，大海上的安全航行幾乎不可能實現(xiàn)；當前的高頻交易也需要極其精準的守時裝置。

單位制有不少話題。為迎接2018年物理學基本單位的重新定義，Nature Physics雜志推出了度量衡學專欄，命名為“Measure for Measure”，借用了莎士比亞劇作《一報還一報（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，而不是度量衡學方面的。編輯們想表達的是：精準的度量中蘊含著藝術的元素。

對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修改之一，所有七項國際單位制基本單位會最終用基本物理常量來定義。度量衡學家們正忙著以更高的準確度來測量玻爾茲曼常量、普朗克常量和阿伏伽德羅常量。在溫度測量法方面，研究人員運用各種方法、依靠不同的物理原理，實現(xiàn)了令人驚艷的準確度，達到百萬分之一級別精度。這么高的準確度，早已暴露了1990年國際溫標中的“錯誤”。

物理學家思考溫度概念時，無疑會想到低溫——因為量子效應常常和低溫聯(lián)系在一起。如今氦稀釋制冷機能維持幾毫開爾文的低溫，有些系統(tǒng)能通過磁制冷達到100皮開爾文以下的低溫。從低溫中獲得的重要物理學發(fā)現(xiàn)數(shù)不勝數(shù)，超導電性、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驗室有著實現(xiàn)“宇宙中最冷地方”的目標，是人類對低溫永不休止探索中的又一次示范。

另一極端——超高溫，是在核聚變實驗中實現(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。這方面的一項突破是托卡馬克裝置，尤其是一種環(huán)面外形、纏繞著構造復雜的線圈的容器。電流通過線圈，產(chǎn)生磁場，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驗反應堆是一個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，度量衡學上的進步與科學進展是相輔相成的。低溫物理學奠基人海克·卡末林·昂內(nèi)斯實驗室里的箴言“door meten tot weten”將這層意思交代得很清楚：由測量獲知一切。