近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其同事克服了使用一种新方法测量气体压力的关键障碍——使用光束穿过气体。
最终，这项新工作可能使工业界能够建立自己的光学压力标尺，直接追溯到自然界的基本常数，无需将压力测量设备送到NIST进行校准，从而节省了成本和时间。
精密的压力测量对于数十种工业应用至关重要，包括石油精炼，以及飞机高度计、内燃机和涡轮机、泄漏检测、微芯片制造和航空航天领域。
科学家通常使用压力天平或液体压力计来测量气体压力，这些方法是基于经典力学原理的，而气体压力传统上被定义为单位面积上的力。相比之下，光学方法基于热力学和量子理论。光学技术仅依赖于气体的温度以及它减缓或折射不同频率光的程度。由于这些特性通过国际单位制（SI）与自然界的基本常数相关联，因此该技术有可能减少压力测量的不确定性，并缩短校准工作所需的步骤。
压力的具体数值是以一种称为帕斯卡的单位来度量的。在一项新研究中，NIST研究人员Patrick Egan和Jack Stone以及中国计量科学研究院的杨远超实现的一种新的帕斯卡测量方法——光学帕斯卡——该方法可追溯到国际单位制（SI）的温度单位。
要了解光学测量方法，可以想象一个装满气体的盒子。对于一个固定体积和温度已知的盒子来说，盒内的压强仅由盒子中的原子数决定。（原子数量越多，原子之间以及原子与盒子内壁之间的碰撞次数就越多，压强也就越高。）
这听起来很简单，但实际上，一个午餐盒大小的容器里可以容纳超过10亿万亿个原子，数量多到根本数不清。因此，研究人员依靠一个测量值—与原子数量成正比的光学量。这个量值被称为折射率，用于衡量光在穿过气体时相对于其在真空中的速度减慢了多少。
这种减慢现象发生在光束的电场使围绕每个原子核的电子云极化（即拉伸）时。较重的原子（如氩）具有较多的电子，与氩原子相比，而较轻的原子（如氦）的电子较少，它们更容易极化且在其中的光速降低的更多。
然而，极化率并不总是容易计算的。事实上，研究人员只在一种原子气体——氦气中实现了极化率的准确计算，这是因为其电子结构相对简单。然而，这些研究成果并没有太大的帮助，因为在低压下，氦气几乎不会改变光速，也就很难确定固定体积中氦原子的数量，因此也难以确定其内部压强。
为了提供一条实现光学帕斯卡的实用途径，Egan和他的同事得出结论，他们将不得不准确测量一组较重原子的极化率。于6月17日在线发表在《Physical Review Applied》上的一篇文章中，阐述了NIST团队及其合作者已经在氩气中完成了极化率的准确计算。
在他们的研究中，研究人员克服了过去十年来一直阻碍光学研究方法的挑战：他们发现用于测量折射的仪器会由于所探测气体的压力而发生收缩或膨胀。如果不考虑这个因素，仪器的形变必然会降低测量的准确性。
然而，这种形变与光的波长无关。利用这一特性，研究人员在两个不同的波长处测量了光的减慢程度，从而抵消了形变的影响因素。这使得该团队最终能够准确测量出氩气的极化率。
Egan说，由于地球上的氩气储量丰富且运输存储都很方便，这将使得美国各地的工业界和学术界都能够采用新的光学帕斯卡方法来进行精确测量。（DOI：10.1103/z9zz-lqzh）
