目前，計量學領域的革命正在加速。繼2019年5月國際計量學大會通過了啟用新修訂國際單位制(SI)的決議后，計量學家又有了新的奮斗目標：壓力。美國研究人員現已開發出定義壓力及其衍生SI單位的新方法。壓力單位帕斯卡基于汞的測量方法自1643年起一直沿用至今。新的方法或許在一年內完成替代。

單位面積受到的力通常被定義為壓力，1帕斯卡相當于每平方米受到1牛頓的力。以往，對帕斯卡的測量，是通過一種基于汞元素的氣壓值測定設備。馬里蘭州美國國家標準與技術研究院(NIST)擁有世界上為數不多的最精確壓力計之一，作為其他壓力傳感器的校準基準。

但現在，NIST的研究者開發了另一套高精度的壓力測量方法，該方法的基本原理是將壓力視作能量密度，即單位體積內包含的能量。能量密度這一單位也從SI導出。

據悉，新方法用光進行更高精度的壓力測量，設備是由氣體和真空通道組成的光學諧振腔，通過探測其中的氣體原子以確定壓力。研究團隊希望在2020年可證明該設備的準確性與壓力計相媲美，并鼓勵實驗室將這一設備作為測定標準。

若這一手段被計量界廣泛認可，意味著對汞元素的需求將減少。汞具有毒性且在國際上可能面臨限制。此外，新技術通過自然基本常數直接測量壓力，意味著科學家可以在不依賴壓力計測量的其他量(如密度)的情況下得出1帕斯卡的數值。

理論上講，新的方法可以讓任何人都有機會利用基本原理測量壓力，而無需繁瑣的工作，中國科學院理化技術研究所正高級工程師高波表示，其團隊正在研究極低溫度的測量方法。

改進空間

長期以來，計量學家一直在努力讓壓力計的測量結果更準確。最初的壓力計可追溯到意大利物理學家Evangelista Torricelli在1643年發明的水銀壓力計。

現代版的壓力計包含兩根汞柱，通過平衡壓力與汞的重量產生的力進行測量。壓力測定的重要依據是汞樣本的密度，但得到更精確的密度值是研究者一直努力的事情。NIST計量學家Jay Hendricks表示，現有的壓力表已達到了精度極限，而新的壓力測量方法還有很大提升空間。

此次，NIST提出的新型壓力傳感器，準確的名字叫固定長度光學諧振腔(FLOC)。它能對通過充氣腔的激光速度和真空中相同光束的速度進行比較。光速會隨氣體密度的變化而變化，量子化學家可以根據原子的性質加以計算。

在穩態的溫度系統中，計量學家可將這些密度測量結果(模擬腔內顆粒數量)與摩爾茲曼常數結合，后者將溫度與動能聯系起來，從而計算出氣體的“能量密度”，即壓力。

Hendricks用“干脆利落”形容這種方法，因為它只用量子計算和自然基本常數計算腔內氣體顆粒的數量，從而得到壓力測量結果。“本質上講，我們有‘量化’的壓力，”他表示，“這是新一代國際單位制的精神，現在這些基本單位都與基本物理常數掛鉤，而不是通過其他任意引用的對象。從計量學的角度看，這實在是太棒了。”

高波表示，NIST的新一代壓力測量技術有很大潛力，但還有一些問題需要解決，比如氣體中的雜質將對測量結果以及實驗過程產生怎樣的影響，以及如何剔除這種影響。Hendricks表示，針對某些特定情況的壓力測量，FLOC可在一年內為成為初步的工業測量標準做好優化準備。

研究團隊表示，FLOC的測量結果在正常大氣壓下的不確定性為百萬分之六，這幾乎與汞氣壓計精度相當，不確定性最低可達百萬分之三。在測量較低壓力時，其不確定性是汞壓力計的1/3。英國國家物理實驗室(NPL)計量學家Stuart Davidson稱，這項工作令人“印象深刻”。

變革驅動力

但對其他國家的計量學家來說，說服他們采用FLOC為測量標準仍需時日。NIST將首先致力于采用FLOC為其主要的測量標準。為此，NIST將公布新舊方法測量出的結果并進行比較，同時進行內部審查。該結果已在國際度量衡委員會的一個附屬機構的監督下得到了確認。

之后為了獲得官方認可，確保FLOC結果準確，NIST須向同一機構提出申請，將該設備與德國布倫瑞克計量研究所傳統壓力計的測量結果進行比較。

為讓新測量方法更廣泛地為人接受，計量學家可能還需要看到另一個實驗室復制出第二個FLOC，并獲得同樣的測量結果。其他國家的測量實驗室正在致力于開發相同設備，但還須時日。

Davidson表示，對于新的測量設備來說，其準確性和人們對其的信任度需要長時間構建。

理論上講，由于SI基本單位現在是用常數定義的，所以一旦有可復制的、縝密的測量技術將壓力的數量與常量聯系在一起，這樣的測量方式是應該被接受的。

根據這些定義，FLOC將成為定義壓力的一種方式，但在實踐中，沒人知道國際社會在接受新方法前需要多少證據來證明，“這可能就是一個先例”。Davidson表示。

與此同時，NIST團隊正在開發基于FLOC原型的便攜版本，以便在工業中實現更精確的測量。這將對半導體芯片、飛機制造業等行業產生重要影響。比如精密的壓力測量會幫助飛機減少燃料消耗。

該團隊還在調整相應的方法，以便讓新的方法適用于更高的壓力環境。目前測量較高壓力環境的準確手段之一是活塞式壓力計。

NPL計量學家Michael de Podesta表示，NIST推出的新方法的優勢不僅僅在于實用性，而且可以從根本上推動科學發展。“就像提高圖像分辨率一樣，當人們能更準確地測量壓力時，就能更清楚地看世界。這就像一幅圖片，在構建出相應的觀測設備之前，你不知道自己會看到什么。”