「開爾文」脫「水」？國際計量大會一錘定音！
「開爾文」定義大換臉……
2018年11月13日，第26屆國際計量大會在法國巴黎開幕，來自國際計量局正式成員國和附屬成員國（經濟體）的近300名代表出席大會。
中國質量新聞網截圖
備受關注的國際單位制修訂將在此次大會上進行表決，在SI基本單位量子化演進的大潮中，基於「水的三相點」定義的「開爾文」，自然也在重新定義之列。「開爾文」的 脫「水」後何去何從？
「經驗溫標」知多少？
溫度的重要性不言而喻，如體溫是反映人體健康的一個「窗口」；氣溫是影響植物生長的一個重要因子，同時也是季節變化人們穿衣打扮的一個參考依據；機器的運行也要時刻測量溫度的高低；生物發酵同樣需要適宜的溫度……
不同溫度尺標比較（網路圖）
人類在漫長的生產實踐中，逐漸認識到了溫度測量的重要性。只是由於認識水平以及科技發展的局限性，一直都靠感官來感知溫度，或者藉助於火焰、顏色等現象來判斷溫度的高低。
儘管我們的感官也可以感知溫度，但大多是很不可靠的。溫度比較特殊，需要藉助於某個物理量進行間接測量。為了保證溫度量值的統一和準確，有科學家建立了一些用來測量溫度的標準尺度，我們稱之為溫標。
華氏溫標：是用德國人華倫海特（Gabriel D. Fahrenheit，1686年～1736年）命名的一種溫標。該溫標選取氯化銨和冰水的混合物的冰點溫度為0℉，人體溫度為100℉，分為100等份，每等份為華氏1度，記作「1℉」。
華氏溫標紀念銀幣（網路圖）
華氏溫標使溫度測量有了統一的標準，為熱學的發展提供了重要的研究工具。1714年，華倫海特發現液體金屬水銀比酒精更適宜製造溫度計，從而發明了以水銀為測溫介質的玻璃水銀溫度計。
「華氏溫標」作為一種經驗溫標，目前主要在美國以及三個島國使用。現在，世界上大部分地區測量溫度都使用攝氏溫標。
攝氏溫標：是目前世界上普遍使用的一種溫標，是由瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯（Anders Celsius，1701年～1744年）於1742年提出來的一種溫標。
攝氏溫標紀念郵票（網路圖）
攝氏溫標的規定是：在標準大氣壓下，水的冰點為0℃，水的沸點為100℃，中間分為100等份，每份為1℃。1954年，第十屆國際度量衡大會將此溫標命名為「攝氏溫標」，以表彰攝爾修斯的貢獻。
法國著名科學家列奧米爾（網路圖）
列氏溫標：是用法國著名科學家列奧米爾（René Antoine Ferchault de Réaumur，1683年～1757年）命名的一種溫標。1731年，列奧米爾把一個大氣壓下水的冰點定為0°R，而沸點則為80°R。列氏溫標曾經在法國、德國等歐洲國家十分流行，但後來被攝氏溫標所取代。
「開爾文」何時「出道」？
物理意義上的溫度具有嚴格的定義，用來表示物體的冷熱程度。隨著各種經驗溫標的誕生，溫度的地位越來越重要。然而，如何準確地反映溫度的客觀屬性，卻成為了一個頗令人們頭疼的問題。
為什麼會這樣呢？因為不同的溫標其參考溫度點以及分度值都不一樣，因此對於特定客觀物體的溫度來說，會出現互不相同的溫度數值，交流起來是很不方便的。
從溫度計測溫的角度來看，不同的溫度計所依據的測溫物質的物理性質也不同，如液體物質大多依據體積和溫度的關係，氣體物質則依據氣壓和溫度的關係……完全不依賴測溫物質屬性的溫度計是沒有的。這也是經驗溫標的局限性之一。
英鈔中的開爾文（網路圖）
為了解決上述的一些問題，英國物理學家開爾文於1848年提出了絕對溫度和絕對溫標的概念。開爾文在電磁學和熱學等方面都取得了成就。他是熱力學第二定律的奠基人之一，由他創立的熱力學溫標具有十分重要的科學意義。熱力學溫標也稱絕對溫標或開爾文溫標。
1954年，國際計量大會把熱力學溫標確定為標準溫標。並規定了熱力學溫度單位的定義，即選取水的三相點為基本定點，並定義其溫度為273.16K。1960年，第十一屆國際計量大會規定熱力學溫度以開爾文為單位，簡稱「開」，用K表示。
水的三相點
1967年，第 13屆國際計量大會給出開爾文的正式定義，即1開爾文等於水三相點熱力學溫度的1/273.16。據悉，水的三相點溫度和壓強分別為273.16K和611.73Pa。
實際上，熱力學溫標與攝氏溫標也是有聯繫的。比如，熱力學溫標規定了溫度的極點——絕對零度（-273.15℃），以此溫度點作為溫標的出發點，而熱力學溫標的分度間隔與攝氏溫標的間隔是一致的。
「開爾文」為何要重新定義？
熱力學溫標是一個純理論上的溫標，主要應用於科學技術研究領域。然而，「開爾文」存在一定的缺陷，不能滿足在低於20 K和高於1300 K的場合使用。因此，重新定義「開爾文」很早就被列入了議程。
從熱平衡的角度來看，溫度反映的是熱平衡系統內部分子無規則運動的劇烈程度。從能量的角度來講，溫度則是描述系統內部不同自由度間能量分布狀況的物理量。
奧地利物理學家——玻爾茲曼
國際計量委員會(CIPM)建議採用自然基本常數―玻爾茲曼常數來定義熱力學溫度單位「開爾文」。玻爾茲曼常數是用奧地利物理學家玻爾茲曼命名的一個物理常數，它能夠把氣體分子的平均動能與絕對溫度聯繫起來。
玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann，1844年～1906年）是奧地利物理學家，熱力學和統計物理學的奠基人之一。玻爾茲曼常數是熱力學的一個基本常量，其數值為1.3806505(24)×10-23 J/K。利用玻爾茲曼常數重新定義開爾文，可以提高對極端低溫和極端高溫的測量精度。
準確絕對地測量玻爾茲曼常數，使其不確定度達到新定義可以接受的水平，是國際計量界面臨的極大挑戰。在中國計量院2017年度十大科技事件中，我國科學家為開爾文重新定義進行的玻爾茲曼常數測量名列其中。
據悉，中國計量院採用聲學共鳴法和雜訊法兩種方法測量玻爾茲曼常數的相對不確定度分別達到2.0x10-6 和2.7x10-6，皆被國際科學技術數據委員會CODATA 2017收錄，從而為開爾文重新定義做出了重要貢獻。
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參考文獻
【1】科學出版社 Elizabeth Gibney.《真正改寫教科書：四個我們熟悉的基礎單位即將被重新定義》，搜狐網，2017-12-20。
【2】沈乃瀲.《計量學與基本物理常數溫度單位開爾文定義的歷史、現狀和發展趨勢》，中國計量，2013年。
【3】王魁漢.《溫度測量實用技術》（M），機械工業出版社，2006年版。
作者：肖溪樹
