激光和量子计算帮助计量学家更新百年历史的汞方法。

由美国研究人员开发的固定长度光学腔（FLUC）根据量子原理测量压力

计量革命正在加速。紧跟着国际单位制中最基本的“计量单位”大修（SI）上个月，一些计量学家正在关注下一个目标：压力。美国研究人员已经开发出一种新的方法来定义压力及其衍生的SI单位，PASCAL，他们说，将在一年内开始取代基于汞的测量方法，自1643以来一直在使用。

压力通常被定义为单位面积的力，而Pascal作为每平方米1牛顿的力。近400年来，用水压计测量气压和下限值，称为压力计。美国国家标准与技术研究所（NIST）位于马里兰州盖瑟斯堡，拥有世界上最精密的压力计之一，被称为主要标准——巨大的仪器，用作校准所有其他压力传感器的基准。但是NIST科学家已经开发出了一种高精度的测量压力的方法，它是基于压力作为能量密度来处理的，这是一个等效的物理描述来描述每单位面积的力，因为它是由Si基单元的相同组合得到的。他们的方法包括用激光直接探测空腔中的气体原子以确定它们的压力。该团队希望在明年展示其设备能够与压力计相匹敌，并鼓励其他计量实验室使用它作为主要标准。

如果被计量界广泛接受，该方法将消除对汞的需求，这是有毒的，面临国际禁令。此外，该技术直接测量压力，使用一个基本的自然常数，意味着计量学家可以推导出帕斯卡尔，而不依赖于先前测量的其他数量，如密度，压力计取决于。从理论上讲，它也可以允许任何人从第一原理来测量压力，而不是“一个校准链的繁琐工作，这是目前需要的一个主要标准，”北京中科院物理与化学技术研究所的计量学家Bo Gao说，他研究了一种测量非常低温度的相关方法。

改善空间

计量学家长期以来一直在努力取代压力计，其原理可追溯到1643意大利物理学家托里拆利发明的水银压力计。现代压力计有两个高的水银柱，并通过平衡压力来测量在水面上施加的力，使之与汞的重量产生的力相平衡。压力是通过使用重力和对汞的特定样品的密度的测量得出的，但是确定这个密度值是每几十年才做的一次激烈的努力。亨德里克斯说，压力计也达到了精度极限，但新方法的不确定性还有很大的改进空间。

科学单位大修自1875获批准

NIST的新的压力传感器，称为固定长度光学腔（FLUC），将激光通过气体填充腔的速度与真空中相同光束的速度进行比较。光的速度随气体密度的变化而变化，量子化学家可以根据原子的性质来计算。对于一个稳定的温度系统，计量学家可以将这些密度测量有效地结合在空腔中的粒子数与玻尔兹曼常数相联系，玻尔兹曼常数将温度与动能联系起来。这就计算了气体的“能量密度”，它相当于压力。

这种方法是“整洁的”，亨德里克斯说，因为它通过计算空穴中气体粒子的数量来测量压力，只使用量子计算和一个基本的自然常数。他说：“本质上，我们有‘量化’的压力。”这是在新的SI基础单元的精神中，现在它们都是由它们与基本常数的关系定义的，而不是通过任意引用或对象来定义的。他补充说：“从计量学的角度来看，这太棒了。”

高说，这项技术有很大潜力。但是一些问题，如理解气体中的杂质如何影响测量，以及在实验过程中空腔如何变形，需要熨烫。该小组正在研究这些问题，以减少不确定性，但亨德里克斯说，在一定的压力下，絮状物将准备用作一个主要标准-反对NIST校准在工业中使用的传感器-在一年内。

研究小组表示，在大气压力下，FLUC测量的不确定度为百万分之6，几乎与汞法相当，其不确定度可低至百万分之3。在测量较低压力时，研究小组称其不确定性是水银压力计的三分之一。英国Teddington国家物理实验室（NPL）的计量学家Stuart Davidson说，结果是“令人印象深刻的”。

美国国家标准与技术研究所（NIST）在马里兰州盖瑟斯堡的絮状物

但在其他国家的免疫学家仍然需要相信絮状物已经准备好了。NIST的第一个目标是使絮凝体成为主要标准。为了做到这一点，它将公布激光测压仪与它的压力计的比较，这一标准已经通过国际度量衡委员会下属的监督机构进行了国际验证，并进行了内部审查。然后，为了获得官方承认其对FLOC的索赔是准确的，NIST必须申请同一机构来监督与德国的计量研究所PTB在不伦瑞克的常规设备的比较。

为了真正接受这种新的方法，计量学家可能需要看到另一个实验室中产生的第二个絮状物，从而获得同样的结果。其他国家计量实验室，包括PTB，正在开发等效设备，但还没有准备好。戴维森补充说：“为了验证新的实验，让人们对它们有信心，这需要很长时间。”

在理论上，因为SI基元现在是以常数定义的，任何适当的严格的技术将一个量与这些常数联系起来是一个可接受的推导单元的方法。根据这些规则，絮体自动限定为定义压力的方式。但是，在实践中，没有人知道国际社会在接受絮状物作为一种有效的或优越的方法之前需要多少证据。“我认为这可能是一个测试案例，”戴维森说。

同时，NIST团队正在开发一种原型FLUC的便携式版本，它可以在工业上实现更精确的测量。例如，在高度表中，使用压力测量高度，这将允许飞机靠拢在一起并减少燃料消耗。该小组也适应该方法工作在更高的压力，这是目前最准确地测量活塞规。

NPR的另一位计量学家Michael de Podesta说NIST方法的优点不仅是实用的。他说，增加压力测量的精度可以从根本上推进科学，就像提高图像分辨率一样。当你能更精确地测量压力时，你可以更清楚地看到世界。就像一个图像，你不知道你将看到什么，直到你建立仪器看。”