[论文解读] On a natural definition of the kilogram and the ampere: the objectives and consequences

Savely G. Karshenboim|ArXiv.org|Jul 28, 2005

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation被引用 3

一句话总结

本文提出通过将普朗克常数 $h$ 和基本电荷 $e$ 固定，同时重新定义千克和安培，以实现一个一致且高精度的国际单位制（SI）。文章认为，要解决SI单位与实际使用单位（欧姆-90、伏特-90）之间的不一致，必须同时重新定义这两个单位，从而在不依赖实物或实际单位的情况下，实现SI单位中的高精度测量。

ABSTRACT

We consider a recent proposal [1] to redefine the kilogram in terms of natural constants. In our opinion, the main objective of the redefinition should be to build such a version of the SI system in which the electric measurements are possible with the highest accuracy in SI units, and not in practical units as now. We emphasize that this objective can be achieved only with a simultaneous redefinition of the kilogram and ampere. This redefinition must be in terms of fixed values of the Planck constant h and the elementary charge e. Certain details of the possible redefinition are considered.

研究动机与目标

• 解决SI单位与高精度电学测量中所用实际单位（欧姆-90、伏特-90）之间的不一致。
• 建立一个一致的SI体系，使机械与电学测量均能在SI单位中实现尽可能高的精度。
• 通过基于基本常数的定义取代实物千克原器，消除对物理千克原器的依赖。
• 确保千克和安培的重新定义是同步且相互一致的，避免部分或不一致的改革。
• 通过使SI体系与基于量子的单位实现方式对齐，提升其实际应用价值和教育意义。

提出的方法

• 提出将普朗克常数 $h$ 和基本电荷 $e$ 固定为精确值，以定义千克和安培。
• 利用关系式 $E = h\nu$，通过特定波长光子的静止能量来定义千克。
• 以基本电荷 $e$ 定义安培，确保与量子现象的直接关联。
• 基于 $h$ 和 $e$ 的精确值建立新定义，这些值可由量子霍尔效应（$R_K = h/e^2$）和约瑟夫森效应（$K_J = 2e/h$）导出。
• 通过固定 $h$ 和 $e$，使新SI体系与实际单位欧姆-90和伏特-90保持一致，确保与现有高精度测量的兼容性。
• 采用基于光子的定义，避免依赖宏观质量标准，同时提供基于微观物理的宏观单位。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过固定 $h$ 和 $e$ 的值，同时重新定义千克和安培，以消除SI单位与实际单位（欧姆-90、伏特-90）之间的不一致？
• RQ2 为使千克的重新定义可行且有益，普朗克常数的测量需达到何种精度？
• RQ3 同时重新定义这两个单位，对质量与电学计量中精密测量的精度与一致性有何影响？
• RQ4 与通过导线间作用力定义安培相比，通过基本电荷 $e$ 定义安培在实际与教育方面有何优势？
• RQ5 考虑到不连续性与长期测量精度提升之间的权衡，重新定义的最佳时机是什么？

主要发现

• 通过固定 $h$ 和 $e$ 的值重新定义千克和安培，是解决SI单位与实际单位（欧姆-90、伏特-90）之间不一致的必要条件。
• 千克可定义为：其静止能量等于 $299\,792\,458 \times 10^{27}$ 个波长为 66.6069311 nm 的光子的静止能量，从而提供一种基于量子现象的宏观定义。
• 安培应以基本电荷 $e$ 重新定义，因其更具根本性，且与现代量子测量一致。
• 当普朗克常数的测量相对不确定度低于 50 ppb 时，该重新定义是可行的，而这一精度在本文撰写时已接近达成。
• 即使在全面实施前，该重新定义也能立即提升SI单位中精密电学测量的精度。
• 同时重新定义两个单位至关重要；若仅重新定义千克，无法解决机械与电学计量之间的核心不一致问题。