国际单位制基本单位之坎德拉、开尔文、安培
发布日期：2019-07-16 作者：来源：欧洲计量组织（EURAMET） 阅读次数：3656
国际单位制基本单位之坎德拉、开尔文、安培
国际单位制基本单位之
坎德拉
不不，我们并没有忘记插入图片。你所看到的是一个光度实验室内，就快开始测量时的典型景象。或许你能在图片左下角看到由测量设备中LED发出的一点微光。一旦测量开始，这团黑暗将被光明驱散——因为这样的实验室正是国际单位制（SI）发光强度单位坎德拉的计量学发源地。
在这样的实验室里，我们测量从灯泡等物体中发出的光的特性。由于我们只应测量从光源直接发出的光，并尽可能避免任何反射的光或称“光污染”带来的影响，所以光度实验室的墙面、地板、天花板和其它平板都被涂成了适合光度测量的、可以吸收光线的黑色。
尽管实验室内部被设计得尽可能暗，但这里的工作人员和传说中那些喜欢阴暗、痴迷研究的科学怪人可不是一回事儿。他们不会在仪器周围昂首阔步，更不会在光源打开的瞬间大喊一声“它活过来了！”
呆在阴暗实验室的科学怪人，你想起了谁？
相反，他们会认真按照非常精准的规程及指南来测量“坎德拉”。
光度实验室（德国联邦物理技术研究院供图）
中国计量院辐射光度计量实验室
与其他6个SI基本单位一样，坎德拉有其官方定义，这也是开展上述测量的基础：
为了让科学家们能够继续提升测量水平，使测量结果尽可能准确，自2019年5月20日起，坎德拉的官方定义更新为：
乍一看上去，两种定义不甚相同。但坎德拉定义背后的物理概念并未发生实质性变化。有所不同的是，2019年起，光视效能常数将成为定义的基础，用它的值以及指定的单位一起来规定1坎德拉到底有多“强”。
顺便提一句，英文中的“坎德拉”（candela）与“蜡烛”（candle）听上去挺像，这并非是偶然的。实际上，candela在拉丁文中就是的“蜡烛”。1948年第9届国际计量大会期间，坎德拉被定义为发光强度的国际单位。
在此之前，世界上有好几种不同的发光强度标准和单位。比如德国和奥地利采用的“赫夫纳烛光”（Hefnerkerze，简写为HK）。1赫夫纳烛光是一种特殊蜡烛（如图）辐射出光的发光强度，大概等于0.9坎德拉。
赫夫纳烛光（德国联邦物理技术研究院供图）
所以，下次当你点燃一支蜡烛的时候，你就可以对1坎德拉的强度有个大致的概念啦。
圣诞节和仙女灯（圣诞小彩灯）
你能想象一个没有烛光的圣诞节吗 | 图源：EURAMET
1882年12月25日，吉尔伯特和沙利文的歌剧《爱兰丝》在伦敦的萨沃伊剧院上演。这次演出在不经意间开启了圣诞节的一项传统，并一直延续至今。
起初是在剧院里，天鹅联合电灯公司被要求设计一些迷你灯，并能在主角小仙女所戴的花环中闪闪发光。在当时，电力照明还属于尖端科技，这些靠藏在戏服里的电池组驱动的星星之光，瞬间迷住了现场观众。“仙女灯”（圣诞小彩灯）这个词就是这么来的。
一年以后，托马斯·爱迪生的同事爱德华·约翰逊（Edward Johnson），第一次将仙女灯装饰在了圣诞树上。
LED版“仙女灯”
仙女灯也可以让“坎德拉”很好地具象化。一个干净的室内小彩灯发出的光大概就是1坎德拉。传统的钨丝彩灯和现代的LED版彩灯在发光强度上都差不多，只不过LED消耗的电能只有钨丝灯的十分之一。
温度测量我们好像都不陌生。但除了测量体温以判断我们身体是否有恙，测量气温以决定我们明天应该穿什么外，温度测量其实在更广泛的场景中还有着十分重要的应用：
· 酒类发酵等食品加工过程需要严格控制温度；
· 长度、频率等许多精密测量对环境温度有着严苛的要求；
· 气候变化监测需要依赖于长时间极高准确度的亮度温度测量……
今天，让我们一起跟着欧洲计量组织（EURAMET）的科普小品文，从热力学温度的SI单位“开尔文”开始，了解一下我们所不知道的温度测量。
国际单位制基本单位之
开尔文
冰冰凉 | 图源：EURAMET
从化学反应和食品加工控制，到天气和气候变化评估，准确的温度测量对于许多日常工作都有着重要意义。几乎所有的工程过程都取决于温度，有的甚至到了严重依赖的程度。在更极端的条件下（如炼钢所需的高温或使用超导体所需的极低温），正确测得温度也同样很重要，但这实现起来要困难得多。
温度测量有着悠久历史。大约在2000年以前，古希腊工程师拜占庭的菲罗（Philo of Byzantium）提出了这样的设计：一个装有水和空气的空心球，通过一根管子与一个敞口罐相联——这有可能是人类最早的温度计。
拜占庭的菲罗设计的温度计 | 图源：Wikipedia
其工作原理如下：当球体被加热或冷却时，其中的空气将随之膨胀或收缩，导致球体通过管子向敞口瓶排水或吸水。人们后来发现，当球体的温度从水的沸点降低到冰点时，球体中空气的体积收缩了三分之一左右。这使得人们开始思考，如果一直对球体进行降温的话会发生什么。
19世界中叶，英国物理学家威廉姆·汤姆逊，即后来的开尔文勋爵，也对“无限冷”（我们现在称之为温度的“绝对零度”）这一概念萌生了兴趣。1848年，他发表了一篇题为《关于一种绝对温标》的文章，估计绝对零度在-273 °C左右。为了纪念他的研究，我们用他的名字来命名温度单位开尔文。
在开尔文勋爵开展研究的那段时间，人们还未就“所有物质都是由不断运动的微观粒子构成的”这点达成共识。如今我们知道温度是对这些微观粒子热运动的平均动能的反映，而绝对零度——0开尔文——对应着物体可以达到的最低温度，即微观粒子完全停止热运动的状态。
1960年SI创立时，水三相点的温度被精确定义为273.16 K。这是不含气体的液态水、固态水（冰）和水蒸气三相共存达到平衡状态的温度。
之所以选择这个温度作为标准温度，是因为它既方便使用，又易于复现。
相应的，开尔文被定义为水三相点温度的273.16分之一。我们通过与标准温度比较的办法，来测量物体的温度。在SI中，我们还定义了另一种温度单位，摄氏度（℃）。以开尔文为单位的温度数值减去273.15，就可以得到以摄氏度表示的温度数值了：
t(°C) = T( K) - 273.15
各种摄氏温度
之所以这么做是为了方便以前使用摄氏温标的各种应用。在日常生活中，我们习惯于用摄氏度表示温度。在这个温标下，水在0 ℃结冰，在100 ℃沸腾。注意到从开尔文换算到摄氏度需要减去273.15，那么水三相点的温度应等于0.01 ℃。
在新的定义中，开尔文将不再以一个人为选取的参考温度来定义，而是以微观粒子热运动的平均动能来定义。定义方式如下：
当玻尔兹曼常数k以单位J K-1，即kg m2 s-2 K-1表示时，取其固定数值为1.380649×10-23来定义开尔文，其中千克、米和秒用h，c 和△v定义。
新定义生效以后，我们将可以直接用微观粒子热运动的平均动能来高效地测量温度。摄氏度与开尔文的换算关系将与2019年五月之前的保持一致。
对于绝大多数用户来说，重新定义将悄然而至，不留痕迹：水仍然在0 ℃结冰，温度计的示值仍然正确（即使它是在5月20日以前标定的）。但是，重新定义将使全新的测温技术成为可能，极高、极低温测量或将最先受益。
“温度单位重大变革关键技术研究”项目获国家科技进步一等奖
“温度单位重大变革关键技术研究”项目组成员
温度的准确测量事关科学研究、国防安全、能源环境和民生健康等领域。传统温度测量的基本标尺依赖实物性质，制约了前沿科技的发展。精确测定玻尔兹曼常数，重新定义温度单位，是计量史上最重大的变革之一。
为此，项目组提出了定程圆柱声学原级测温和量子噪声原级测温两种独立的方法。通过系列关键技术创新，实现玻尔兹曼常数测量相应方法全球最佳测量结果。这也是全球唯一采用两种独立方法满足重新定义的成果，在温度单位重新定义的历史性变革中做出突出贡献。因为上述贡献，中国计量院“温度单位重大变革关键技术研究”项目荣获2018年度国家科技进步一等奖。
基于项目发展的创新技术，为国家重大工程第四代核反应堆堆芯温度的直接测量提供了解决方案。对于实现多种技术途径、零溯源链、原位测量温度等热物理量具有重要意义。（选自《中国计量科学研究院2018亮点》，作者：冯晓娟 刘旭红）
国际单位制基本单位之
安培
2019年：“令人激动”的改变 | 图源：EURAMET
对我们大多数人来说，电流从插座中流出并让电器运转起来，是非常神秘的。正如我们人类血管里流淌的血液一样，电流通过我们家里的“导电动脉”而流动，为我们每天所用的各种设备提供动力。这也是为什么我们将电流的单位视作英雄。实际上，在2019年，安培——国际单位制（SI）电流基本单位，将发生一些“令人激动”的变化。
如今，电已是如此普遍，很多人都对它视而不见。但是，如果突然没有了电，生活将很快变得举步维艰。灯、电视机、收音机、电话机、计算机、洗衣机、洗碗机、电冰箱等几乎所有的家电，都离不开电，没有电，它们将毫无用处。试着数一数今天你用了几次电，在享用早餐之前，你很可能已至少使用三次了！
历史上最早有关电的工作是古希腊人做的，他们将其称作静电。当时，古希腊人观察到，当琥珀与皮毛发生摩擦时，琥珀就能吸起诸如毛发和灰尘这样的小物体。在英语中，电（electricity）这个单词实际上也是源于希腊语的“electron”，意为“琥珀”。然而，在第一次观察到此现象后，人类很多年里都没有对“琥珀电流”展开研究，它一直是一个谜团。在17世纪，人类再次开始了对电的研究，但直至到19世纪，这一领域的研究工作才真正开展起来。
电的快速发展也促进了计量学的进步。不仅电学量的测量变得易于实现，而且由于电在所有科学活动中的极端重要性，新的研究、新的技术和新的产业应运而生。结果是，电学测量很快占据了计量学的各个领域。
今天，绝大多数的量甚至是非电学量，如机械属性，都是通过电学方法测量的。
随着对电学的认识和理解不断深入，测量我们的英雄——安培的准确度和精密度也越来越高。1893年，在芝加哥举办的国际电学大会上第一次提出了安培的定义，并于1908年在伦敦举办的国际电学大会上得到确认。当时提出的这个“国际安培”的定义是：
这是我们现在所知的安培的早期复现。如今，测量结果表明：1国际安培等于现在的0.99985安培。
然而，这个定义有个重大缺点：它将单位与其实际的复现过程紧密联系在一起，也就是说，很难确保在不同时间和不同地点进行的测量都是完全一致的。最终，随着电流发生和测量技术的不断进步，人们发现有更好的方法来复现安培。因此，1948年第9届国际计量大会通过了安培的新定义，这个定义一直沿用至今：
随着上述安培定义的问世，测量科学再次加速发展。精准地定义安培，意味着计量学家们能够观察分析不同的物理现象，并利用这些现象制造日益准确的测量仪器。例如，量子物理已为应对测量挑战提供了很多新型独特的解决方案。
但是，现在SI基本单位安培的实际复现方法远不同于其官方定义。安培的实际复现方法是基于电流与电压和电阻之间的关系，用一种称作“约瑟夫森结”的装置产生电压，用“量子化霍尔效应”产生电阻。
产生电压和电阻的这两种方法均运用了已被人们充分认识的物理现象，它们分别基于约瑟夫森常数和冯克里青常数这两个物理常数（约瑟夫森和冯克里青都是诺贝尔奖获得者），并且都可以用自然界的基本常数：基本电荷e和普朗克常数h来表示。
使用这些常数的好处是什么呢？无论怎样自然常数都将保持不变，因此，利用常数来定义一个单位，就使得该单位在全宇宙都是可测量的（例如：普朗克常数在哥本哈根，罗马或火星上均是相同的）。基于自然常数来定义的单位，也保证了测量标准的长期稳定性。
自2019年5月20日，安培的定义将是：
此次安培定义的变化是根本性的，是测量科学的一个里程碑。重新定义将成为应对21世纪科学技术挑战的重要支撑。
每个人其实都是一个小型发电站。我们的神经系统就是一个“电路”，不断地以电脉冲的形式发送视觉、触觉和听觉的刺激信号给我们的“中央处理器”——大脑。然后，由大脑来处理这些电脉冲，这样，我们就能看到、听到、尝到、闻到和感觉到热、冷和疼痛。反过来，大脑再发送适当的电脉冲至我们的身体进行控制。感谢电脉冲！我们的心脏因此才能跳动，我们才能有意识地走路、跑步、画画和跳跃。不管我们是否喜欢它，我们英雄——安培——一直在每个人的身体内！
我们每个人都“充着电”的事实在医学上很有用，特别是在诊断疾病或实施急救方面。例如，当我们的心脏停止跳动时，可使用除颤器——一种能将一定大小的电流传送至心脏的仪器来抢救。在心脏病诊断中，经常使用到一种非常灵敏的电流测量仪器——心电图仪。心脏病学专家通过分析心电图仪的记录，能够知道很多关于心脏的状况，是很有用的。
翻译：陈杭杭 朱秀梅
审核：高 蔚
编辑：陈杭杭
来源：欧洲计量组织（EURAMET）
链接：https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-kelvin/
链接：https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-candela/
https://www.euramet.org/si-redefinition/countdown-si-redefinition/the-ampere/
END
来源：中国计量院
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