[论文解读] On new definitions of SI base units. Why is the "atomic" kilogram preferable

К. А. Бронников, В. Д. Иващук+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2014

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation参考文献 49被引用 6

一句话总结

本文主張通過固定阿伏伽德罗常數和原子質量單位等基本常數，重新定義國際單位制（SI）的四個基本單位——千克、摩爾、安培和開爾文。論點認為，基於這些常數的「原子千克」具有更高的穩定性、一致性和獨立性，且不依賴普朗克常數。該方法實現了單位間的相互獨立定義，維持了質量與物質的量之間的既有關係，並支持更可靠的電學與熱力學測量。

ABSTRACT

We discuss the role of fundamental constants and measurement data for the Planck, Avogadro and Boltzmann constants and the elementary electric charge in connection with the planned transition to new definitions of four base SI units (the kilogram, mole, ampere and kelvin) in terms of fixed values of these constants. It is proposed to choose a new definition of any base SI unit in terms of a particular fundamental physical constant using a number of criteria, or principles, such as succession relative to the current SI, a sufficient stability of the new unit standards, and concordance between physical dimensions of the unit and the corresponding fundamental constant. It is argued that a redefinition of the kilogram and mole by fixing the values of the atomic mass unit and the Avogadro constant satisfies all these criteria and bears some more advantages against the version with fixed Planck constant: a well founded approach to definition of the ampere and the opportunity to preserve the current relationship between definitions of the mole and the kilogram. It is also argued that the kelvin can be redefined independently of the other three units.

研究动机与目标

• 解決國際千克原器（IPK）的不穩定性問題，其每年漂移約為~5×10⁻¹⁰ kg。
• 評估基於基本物理常數固定值的千克、摩爾、安培與開爾文之替代定義。
• 建立選擇最佳定義的標準，包括穩定性、物理量綱的一致性，以及對其他單位的最小依賴性。
• 主張固定阿伏伽德羅常數與原子質量單位，相較於固定普朗克常數，對千克定義更具優勢。
• 透過基本電荷（e）與玻爾茲曼常數（k）分別獨立定義安培與開爾文，無需依賴千克或普朗克常數。

提出的方法

• 建議透過固定原子質量單位（道爾頓）的值來定義千克，其基礎為碳-12原子的質量。
• 建議將阿伏伽德羅常數（N_A）作為定義摩爾與千克的核心，以確保質量與物質的量之間的一致性。
• 提出透過固定基本電荷（e）來定義安培的框架，完全獨立於普朗克常數，並使用單電子穿隧標準。
• 建議透過固定玻爾茲曼常數（k）來重新定義開爾文，並以聲學氣體溫度計作為高精度測量的主要方法。
• 應用物理量綱相容性、長期穩定性與計量可追溯性等標準，評估候選定義的可行性。
• 分析多個機構（NIST、NPL、PTB、NMIJ、INRiM、LNE-CNAM、NRC）的不確定度預算與實驗驗證結果，以評估其實用性與準確性。

实验结果

研究问题

• RQ1 為何目前基於國際千克原器的千克定義，已無法滿足現代計量學的需求？
• RQ2 應以何種標準來指導選擇基本常數，以定義新的國際單位制基本單位？
• RQ3 與固定普朗克常數相比，固定阿伏伽德羅常數與原子質量單位在穩定性與計量實用性方面有何優劣？
• RQ4 能否僅透過基本電荷（e）獨立定義安培，而不依賴千克或普朗克常數？
• RQ5 是否可行透過固定玻爾茲曼常數來重新定義開爾文？實驗證據為何？

主要发现

• 原子質量單位與阿伏伽德羅常數為重新定義千克與摩爾提供了穩定且具物理基礎的依據，完全符合所提出的各項新定義標準。
• 固定阿伏伽德羅常數可實現摩爾與千克的協調且相互獨立的定義，維持其現有關係，且無需依賴普朗克常數。
• 安培可透過固定基本電荷（e）並使用單電子穿隧裝置重新定義，從而消除對h的依賴，並建立更可靠的量子標準。
• 開爾文可透過固定玻爾茲曼常數獨立重新定義，聲學氣體溫度計已在2018年達到所需不確定度水平（u_r(k) < 2×10⁻⁸）。
• 新國際單位制框架（基於固定N_A、e、k與原子質量單位）確保了四個單位之間的完全相互獨立，提升長期穩定性與可追溯性。
• 2018年26屆CGPM所規劃的新國際單位制過渡是可行的，並獲得全球計量機構支持，NIST、PTB、NPL等機構的實驗結果已確認所需準確度。