去年，千克（kg）、開爾文（K）、摩爾（mol）、安培（A），這幾個(gè)國際單位制中的基本單位被重新定義。5月20日（也就是世界計(jì)量日），新的定義將開始生效，計(jì)量界將經(jīng)歷一場巨大的變化。到那時(shí)，一系列物理學(xué)常數(shù)（例如電子電荷）將不再帶有誤差棒，但這并不意味著不確定度也會(huì)消失，它們只是轉(zhuǎn)移到其他測定量中去了。

國際單位制中的7個(gè)基本單位這些變化應(yīng)當(dāng)不會(huì)引發(fā)任何麻煩，因?yàn)檎`差出現(xiàn)在小數(shù)點(diǎn)之后很遠(yuǎn)的位置，那是大多數(shù)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中永遠(yuǎn)無法企及的高精確度。但這仍會(huì)帶來一些顯著的效果，例如，在新的國際單位制中，與引力測試和制藥有關(guān)的一些測量會(huì)變得更簡單也更精確。

國際單位制重新定義背后的指導(dǎo)原則是將計(jì)量單位與基本常數(shù)掛鉤。比如說，千克將不再會(huì)以一個(gè)特定的人工制品的質(zhì)量來定義，而是將它與普朗克常數(shù)（一個(gè)定義了量子力學(xué)尺度的基本參數(shù)）聯(lián)系起來。國際度量衡局主任Martin Milton表示，確定新的定義并不是很難，難的是實(shí)現(xiàn)能將宏觀的千克與量子世界的普朗克結(jié)合起來的實(shí)驗(yàn)。

儲存在法國賽弗爾的國際度量衡局（BIPM）內(nèi)的國際千克原器，它是一塊鉑-銥合金圓柱體。圖片：BIPM在過去幾十年里，研究人員已經(jīng)開發(fā)了兩種聯(lián)系千克與普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)。

基布爾秤能夠以很高的精度測量普朗克常數(shù)，在國際單位制重新定義后，它可以在無需參考任何標(biāo)準(zhǔn)千克的情況下測量質(zhì)量。圖片：NIST第一種是基布爾秤，它的工作原理是用線圈在磁場中受到的向上的磁力來平衡一塊金屬受到的向下的重力；磁力可以通過改變線圈中的電流來調(diào)節(jié)，而電流是根據(jù)普朗克常數(shù)而測得的。這樣，普朗克常數(shù)就通過電流與千克聯(lián)系起來了。

國際阿伏伽德羅計(jì)劃開發(fā)了一種技術(shù)來測量和估算硅-28晶體球內(nèi)包含的原子數(shù)量。圖片：NIST第二種實(shí)驗(yàn)是由國際阿伏伽德羅計(jì)劃構(gòu)想出的，科學(xué)家首先將1千克均勻的硅-28晶體制作成一個(gè)近乎完美的球體，然后使用X射線晶體學(xué)和光學(xué)干涉技術(shù)計(jì)算出球體中的原子數(shù)量，再將其質(zhì)量與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。

2017年，這兩種方法都基于標(biāo)準(zhǔn)千克給出了普朗克常數(shù)的數(shù)值，并且精度達(dá)到了10ppb（即十億分之十）。這樣高精度的測量使得科學(xué)家能夠反過來以普朗克常數(shù)作為定義的標(biāo)準(zhǔn)，而不是千克。因此，千克沿襲了之前出現(xiàn)在普朗克常數(shù)測量中的不確定度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的物理學(xué)家Stephan Schlamminger說：“不確定度就像是地毯下的一個(gè)氣泡，你可以在一個(gè)地方將它壓下去，但它會(huì)從另一個(gè)地方再冒出來?！?/span>

那么這是否意味著從5月21日開始，所有的重量測量都要重新來過？并非如此。大多數(shù)的質(zhì)量測量裝置都沒有精確到足以探測到10ppb這一量級的變化。唯一遭受損失的是國際度量衡局里的國際千克原器，因?yàn)樗鼘?千克的標(biāo)準(zhǔn)定義（不確定性為0）變成一塊質(zhì)量的不確定度為10微克的金屬。不過鑒于能建立一套更簡單、更優(yōu)美的國際單位制，這樣的代價(jià)并不為過。

對安培的重新定義則會(huì)導(dǎo)致其他的一些標(biāo)準(zhǔn)（例如伏特和歐姆）也會(huì)發(fā)生微小的數(shù)值變化。NIST的物理學(xué)家Dave Newell說，這種變化對于在美國為電氣標(biāo)準(zhǔn)提供原級校準(zhǔn)服務(wù)的24個(gè)實(shí)驗(yàn)室來說是顯而易見的。而這些標(biāo)準(zhǔn)所校準(zhǔn)的儀器又反過來會(huì)校準(zhǔn)其他儀器。不確定度會(huì)沿著這個(gè)校準(zhǔn)的鏈條自上而下地增加，從而到最后察覺不到重新定義國際單位制的影響。畢竟大多數(shù)研究人員并不需要精確到小數(shù)點(diǎn)后8位數(shù)。

重新定義國際單位的一些影響或許對小作用力的測量能讓新的國際單位制顯現(xiàn)出更明顯的影響。長時(shí)間以來，小作用力的精確校準(zhǔn)一直是個(gè)問題。例如在一些引力測試中，需要測量質(zhì)量小到1毫克的物體的作用力。而在現(xiàn)行的國際單位制中，1毫克的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要從1千克開始，并通過與較小質(zhì)量多次比較來進(jìn)行有效地細(xì)分。每一次的質(zhì)量細(xì)分都會(huì)增加測量的不確定度。從1千克到1毫克，不確定度會(huì)從10ppb增長到100ppm（百萬分之百）——也就是增加了一萬倍。

有了新的國際單位制，我們就可以通過直接建造一個(gè)能夠測量所需精度量級的設(shè)備，來規(guī)避這種復(fù)合的不確定度。NIST的研究人員目前正在開發(fā)一種可以在10克量級上進(jìn)行測量的臺面基布爾秤。與耗資數(shù)百萬美元的千克級基布爾秤比起來，這些商業(yè)秤大約需要5萬美元。更小的質(zhì)量級別還可以選擇使用靜電力秤，它的工作原理與基布爾秤相似，但利用的是電容器的靜電力，而不是線圈的磁力。

制藥行業(yè)或許是能從小質(zhì)量級別的秤中獲益的領(lǐng)域，在未來所謂的個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代，醫(yī)務(wù)人員將根據(jù)患者的DNA圖譜為他們提供毫克水平的精確劑量。除了測量重量之外，靜電力秤和基布爾秤也可以被轉(zhuǎn)動(dòng)到水平方向來測量其他作用力。例如，它可被用來測量一束激光對附在靜電裝置上的鏡子所施加的力。這將為激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）等高精度實(shí)驗(yàn)提供一種更直接的激光功率校準(zhǔn)方法。

Milton認(rèn)為，新的國際單位制的優(yōu)勢在于，它為那些想要發(fā)明新方法來實(shí)踐這些單位定義的人打開了一扇大門，而之前的情況并非如此。Newell也持有同樣的觀點(diǎn)，他認(rèn)為當(dāng)我們不再以人工制品作為標(biāo)準(zhǔn)之后，實(shí)驗(yàn)室就可以建造自己的內(nèi)部設(shè)備，讓這些設(shè)備直接與基本常數(shù)關(guān)聯(lián)。最終，沒有人需要再依靠NIST或其他設(shè)備來進(jìn)行校準(zhǔn)。Newell說：“我們實(shí)際上是在讓自己失業(yè)。”

即將到來的計(jì)量革命可能會(huì)改變科學(xué)家與測量設(shè)備互動(dòng)的方式。Schlamminger表示，以前，當(dāng)計(jì)量單位是以人工制品定義時(shí)，他們的目標(biāo)是維持靜止：“對于人工制品，因?yàn)閾?dān)心它會(huì)被損壞，所以不太愿意使用。”但像基布爾秤這樣的機(jī)器則會(huì)鼓勵(lì)人們?nèi)ナ褂?，因?yàn)槭褂玫迷蕉啵瑢λ睦斫庖簿驮缴羁?。而且不同于人工制品的是，機(jī)器有改進(jìn)的空間，它還可以變得更好。