通过测量电阻器中电子的随机抖动运动，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员对玻尔兹曼常数的准确新测量做出了贡献，这是一个将系统能量与温度联系起来的基本科学价值。NIST在其位于科罗拉多州博尔德的实验室进行了一次测量，并在中国与另一个实验室合作。

这些结果将有助于全世界重新定义国际温度单位开尔文，并可能为工业提供更好的温度计。

准确的温度测量对于任何需要特定温度的制造过程都至关重要，例如钢铁生产。这对于核动力反应堆也很重要，因为核反应堆需要精确的温度计，这些温度计不会被辐射破坏，也不需要经常被人类工作人员更换。

“我们每天都处于温度状态，”参与新结果的NIST研究团队组长Samuel Benz说。“定义开尔文的当前测量值比定义质量和电力单位的测量结果准确度低100倍。”千克的公差是十亿分之一，而开尔文仅为百万分之一。

在2018年底，预计世界各国的代表将在法国度量衡大会上就是否重新定义国际单位制度(即SI)进行投票。在2019年实施时，新的SI将不再依赖物理对象或物质来定义测量单位。相反，新的SI将基于自然常数，例如玻尔兹曼常数，其基本上取决于量子力学，即在原子尺度上描述物质和能量的理论。

为了确定开尔文，科学家们目前在密封的玻璃池中测量水的三相点。三重点是水，冰和水蒸气在平衡状态下存在的温度。这相当于273.16开尔文(0.01摄氏度或32.0华氏度)。开尔文定义为测量温度值的1 / 273.16。

这种方法有缺点。例如，水中的化学杂质会随着时间的推移缓慢降低电池的温度。由于存在不同的水同位素(即，具有相同数量的质子但不同数量的中子)，研究人员还必须进行校正。在高于或低于水三相点的温度下测量本身就不太精确。

“通过根据玻尔兹曼常数定义开尔文，你不必在不确定性方面有这些变化，你可以使用量子力学效应，”Nathan Flowers-Jacobs说，该论文的主要作者是新NIST测量，接受在Metrologia期刊上发表。

由于玻尔兹曼常数足以重新定义开尔文，国际负责该问题的小组有两项要求，即国际度量衡委员会的温度测量咨询委员会。必须有一个实验值，相对不确定度低于百万分之一 - 至少一个测量来自第二种技术，相对不确定度低于百万分之三。

因此研究人员一直在寻求各种测量玻尔兹曼常数的方法。最准确的方法仍然是测量气体的声学特性。1988年NIST的结果得出的值已经超过百万分之二，最近的测量结果不到百万分之一。世界各地的科学家已经设计出了各种其他技术，包括测量其他气体特性的技术。

“用完全不同的多种方法进行这种测量很重要，”奔驰说。“对每种方法进行多次测量也很重要。”

完全不同的方法是不依赖于普通气体而是主要依靠电气测量的技术。该技术测量电阻器中电子的随机运动程度 - “噪声”。这种“约翰逊噪声”与电阻器中的电子温度和玻尔兹曼常数成正比。过去的约翰逊噪声测量值受到以百万分之一精度测量微小电压的问题的困扰; 测量设备本身的约翰逊噪声加剧了这个问题。

为了解决这个问题，NIST的研究人员在1999年开发了一种“量子电压噪声源”(QVNS)作为约翰逊噪声测温仪(JNT)的电压参考。QVNS使用称为约瑟夫森结的超导器件来提供基本准确的电压信号，因为其特性基于量子力学原理。研究人员将QVNS信号与电阻器中电子随机运动产生的电压噪声进行了比较。通过这种方式，研究人员可以准确地测量约翰逊噪声和玻尔兹曼常数。

2011年，该小组开始使用这种技术发布玻尔兹曼常数测量，并从那时起进行了改进。与2011年的测量结果相比，新的NIST结果准确度提高了2.5倍，相对不确定度约为百万分之五。

根据Flowers-Jacobs的说法，改进的原因是实验区域更好地屏蔽了杂散电噪声并升级到电子设备。研究人员进行了仔细的“互相关”分析，其中他们对约翰逊噪声和量子电压噪声源进行了两组测量，以排除测量中的其他噪声源。其他因素包括为较大的约翰逊噪声源增加电阻器的尺寸，以及在两组测量的不同测量通道之间更好地屏蔽。

NIST还为中国国家计量研究所的新Boltzmann测量提供了专业知识和量子电压噪声源。部分归功于与噪声源的良好隔离，该测量具有百万分之2.8的相对不确定性，满足重新定义的开尔文的第二个要求。这一新结果也已被Metrologia公布。

“这是一次非常协作的国际努力，”奔驰说。德国也开始努力开发约翰逊噪声测温仪，以传播测温的主要标准。

NIST约翰逊噪声测温仪项目负责人Horst Rogalla表示，“所有数据都将包括在内”以确定新的玻尔兹曼常数值。“重要的是重新定义开尔文的条件已经实现。”

除了新的SI之外，基于Johnson测温仪的设备有可能直接用于工业，包括核反应堆。

“目前，我们正在使用它来定义开尔文，但之后，我们将把它用作一个优秀的温度计，”Rogalla说。