長(zhǎng)度單位米的前生今世與未來(lái)

武際可

人類(lèi)對(duì)長(zhǎng)度和距離的測(cè)量，有很長(zhǎng)的歷史，其間的變化可謂異彩紛呈。

從亂進(jìn)級(jí)到十進(jìn)制

從世界范圍來(lái)看，度量衡的統(tǒng)一是人類(lèi)交通和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果。人們要進(jìn)行貿(mào)易和商品買(mǎi)賣(mài)，政府為了征稅，就需要把度量統(tǒng)一。我國(guó)是世界上較早實(shí)行度量衡統(tǒng)一的國(guó)家，從公元前359年秦國(guó)商鞅變法開(kāi)始，就頒布了統(tǒng)一度量衡的法令。后來(lái)，秦國(guó)統(tǒng)一了全國(guó)，實(shí)行“車(chē)同軌，書(shū)同文”和全國(guó)統(tǒng)一度量單位的政策。

當(dāng)時(shí)規(guī)定的基本長(zhǎng)度單位是尺，大致上就是普通人從手腕到胳膊肘的長(zhǎng)度。至今，人們還把小臂外側(cè)的這段骨頭稱(chēng)為尺骨。在秦朝時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度大約相當(dāng)于今天的23厘米。話雖這么說(shuō)，在實(shí)際生活中，長(zhǎng)度的量度還是很混亂的。用于表征長(zhǎng)度的其他單位就有如下一些：

拃，讀zhǎ，指張開(kāi)大拇指和中指（或小指）的長(zhǎng)度。例如說(shuō)一拃長(zhǎng)。

庹，讀tuǒ，成人兩臂左右伸直的長(zhǎng)度。例如說(shuō)兩庹長(zhǎng)。

還有：五尺曰墨，六尺曰步，七尺曰仞，八尺曰尋，十尺曰丈，一百五十丈曰里，等等。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們活動(dòng)和交往的擴(kuò)大，需要在更大范圍統(tǒng)一度量衡的標(biāo)準(zhǔn)。一種理想的單位制必須具有兩個(gè)條件：一是基本單位要準(zhǔn)確客觀，二是進(jìn)級(jí)比較科學(xué)。

我國(guó)統(tǒng)一的長(zhǎng)度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)雖然很早便確立，但還不科學(xué)，除了基本單位尺之外，還有拃、庹等非標(biāo)準(zhǔn)的基本單位流行;另外，進(jìn)級(jí)很不科學(xué)，有墨、步、仞、尋、丈、里等不規(guī)則的進(jìn)級(jí)。在國(guó)外，已經(jīng)流行了很長(zhǎng)時(shí)間的英制長(zhǎng)度也不方便，其基本單位除英尺外還有碼，進(jìn)位又是十二進(jìn)制，與數(shù)字的十進(jìn)制不統(tǒng)一，使用起來(lái)很不方便。

確立比較科學(xué)的單位制，后來(lái)便歷史性地落在了法國(guó)肩上。這是因?yàn)樵?8世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)的法國(guó)具有產(chǎn)生新的度量標(biāo)準(zhǔn)的客觀條件：

一是，當(dāng)時(shí)法國(guó)的度量標(biāo)準(zhǔn)非常亂，每一個(gè)地方都有自己的長(zhǎng)度單位。即使在同一個(gè)地方，不同的行業(yè)也有不同的單位。人們?cè)缇涂释母?，希望制定統(tǒng)一的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn);但在法國(guó)大革命之前，政府的權(quán)威不夠或者政府并沒(méi)有把這個(gè)問(wèn)題提高到足夠重視的程度。

二是，1789年法國(guó)大革命之后，新政府對(duì)度量單位的改革比較重視，并立即著手改革。

三是，18世紀(jì)末，法國(guó)涌現(xiàn)了一批世界著名的科學(xué)家，新政府把這項(xiàng)改革委托給這些科學(xué)家，從而使得新的單位制能夠牢固地建立在新發(fā)展的科學(xué)的基礎(chǔ)上。

1790年5月8日，法國(guó)國(guó)民議會(huì)宣布進(jìn)行度量衡改革，并委托法國(guó)科學(xué)院來(lái)確定如何規(guī)定單位。法國(guó)科學(xué)院成立了一個(gè)委員會(huì)來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。該委員會(huì)的成員有數(shù)學(xué)家與力學(xué)家拉格朗日、力學(xué)家與天文學(xué)家拉普拉斯、化學(xué)家拉瓦錫、測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)家德波達(dá)、科學(xué)院秘書(shū)德孔多塞等，拉格朗日擔(dān)任委員會(huì)主席。

委員會(huì)做的第一件事就是由拉格朗日提出充分根據(jù)，建議采用十進(jìn)制作為標(biāo)準(zhǔn)單位。委員會(huì)于1790年10月27日決定，把度量衡單位都定為十進(jìn)制。這樣一來(lái)，就使度量單位的進(jìn)制與長(zhǎng)期形成的數(shù)字的十進(jìn)制相一致，進(jìn)而為計(jì)算帶來(lái)了極大方便。

從海里到米

委員會(huì)做的第二件事是討論長(zhǎng)度與質(zhì)量單位。他們決定，采用從赤道到北極的一千萬(wàn)分之一為米，米的百分之一為厘米，以1立方分米的純水為質(zhì)量的基本單位。法國(guó)國(guó)民議會(huì)于1791年3月30日通過(guò)了這個(gè)提案。這些基本單位的制定原則一定是以自然界客觀存在的量為基準(zhǔn)。之后，法國(guó)科學(xué)院的很多專(zhuān)家都投入到測(cè)量與確定標(biāo)準(zhǔn)量的工作之中。

法國(guó)國(guó)民議會(huì)大廈

之所以采用從赤道到北極的一千萬(wàn)分之一為米，是基于這樣的思考：15～16世紀(jì)，世界航海事業(yè)快速發(fā)展，一種和航海關(guān)系很密切的長(zhǎng)度單位非常普及，這就是海里。1海里大約是地球上的大圓角度一分所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。這對(duì)于航海非常方便，只要測(cè)量星空與原來(lái)的位置差多少度多少分，便可以直接得到走了多少距離。新的長(zhǎng)度單位也要充分滿(mǎn)足航海的要求，于是便把大圓的1/4，即赤道到北極的長(zhǎng)度的一千萬(wàn)分之一作為1米。當(dāng)時(shí)，委員會(huì)原本計(jì)劃把直角的度數(shù)從90°改變?yōu)?00°，可惜后者未能實(shí)現(xiàn)。如果該計(jì)劃最終實(shí)現(xiàn)的話，沿大圓航行1°恰好是100千米，豈不很方便了。

接下來(lái)，就要測(cè)量地球子午線的長(zhǎng)度了。天文學(xué)家約瑟夫·德朗布爾和安德烈·梅尚毅然接受了這一重任。他們約定，從巴黎出發(fā)，背向而行，共同完成從敦刻爾克到巴黎、再到巴塞羅那這一段地球子午線的測(cè)量工作。博學(xué)多才的德朗布爾從巴黎向北走，細(xì)致認(rèn)真的梅尚從巴黎往南走，一旦兩人到達(dá)各自目的地——敦刻爾克和巴塞羅那，就開(kāi)始測(cè)量彼此間的距離;最后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以便得出1米的長(zhǎng)度是多少。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的法蘭西正處在資產(chǎn)階級(jí)革命的狂熱中，社會(huì)十分混亂，兩位科學(xué)家常常要冒著被追捕的危險(xiǎn)。在巴黎郊外，德朗布爾多次躲開(kāi)狂熱人群的追捕，有幾次差點(diǎn)被送上斷頭臺(tái)。在法蘭西與西班牙的激烈交戰(zhàn)中，梅尚曾被當(dāng)作法國(guó)密探遭到拘禁。

經(jīng)過(guò)7年的跋涉，德朗布爾和梅尚終于在法國(guó)南部要塞卡爾卡松會(huì)合。他們帶著勘測(cè)資料返回巴黎時(shí)，拿破侖·波拿巴已成為法蘭西新的統(tǒng)治者，法國(guó)政局也恢復(fù)穩(wěn)定。巴黎群眾像迎接英雄一樣歡迎他們。崇尚科學(xué)的拿破侖也給予二人極高評(píng)價(jià)：“勝利如過(guò)眼煙云，但是這項(xiàng)成就會(huì)永存于世。”

設(shè)在巴黎的國(guó)際科學(xué)委員會(huì)還用純鉑制成一根1米長(zhǎng)的金屬棒，來(lái)紀(jì)念兩位科學(xué)家的探險(xiǎn)活動(dòng)。

1812年，法國(guó)頒布施行“米制”，并于1837年起在全國(guó)強(qiáng)制推行，使米制率先在法國(guó)扎根。

1875年，國(guó)際度量衡委員會(huì)在巴黎開(kāi)會(huì)，法、德、美、俄等17國(guó)政府代表共同簽署了《米制公約》，同意成立國(guó)際度量衡局，并公認(rèn)米制是在法國(guó)大革命中誕生的一項(xiàng)最偉大的科學(xué)事業(yè)，確定“米”為標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際長(zhǎng)度單位，并一直沿用至今。

1889年國(guó)際米原器

從“檔案米”到光波米

遺憾的是，從事測(cè)量工作的天文學(xué)家出現(xiàn)了小小失誤，導(dǎo)致1米的長(zhǎng)度比定義中的長(zhǎng)度縮短了0.02毫米。后來(lái)，人們通過(guò)衛(wèi)星的精確測(cè)量發(fā)現(xiàn)，從地球極點(diǎn)到赤道的經(jīng)線長(zhǎng)為1.000229千萬(wàn)米，而不是梅尚測(cè)量的1千萬(wàn)米。也就是說(shuō)，長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)單位1米比規(guī)定的長(zhǎng)度短了0.02毫米。著名科普作家肯·奧爾德曾在《萬(wàn)物的尺度》中披露說(shuō)，梅尚返回巴黎后，發(fā)現(xiàn)測(cè)量有錯(cuò)誤，因?yàn)樗谕坏胤降膬纱螠y(cè)量結(jié)果不能吻合。這一失誤產(chǎn)生的負(fù)罪感令梅尚日夜不寧，精神瀕臨崩潰。為修正錯(cuò)誤，他再次赴野外測(cè)量，結(jié)果因患瘧疾而死于途中。

1799年，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，法國(guó)科學(xué)家制成一根3.5毫米×25毫米X形截面的鉑桿，以此桿兩端之間的距離定為1米，并交法國(guó)檔案局保管。因此，這根鉑桿也被稱(chēng)為“檔案米”。這是最早的“米”定義。

由于“檔案米”存在嚴(yán)重的變形現(xiàn)象，人們于1872年放棄了“檔案米”的米定義，而以鉑銥合金（90%的鉑和10%的銥）制造的米原器作為長(zhǎng)度單位。米原器是根據(jù)“檔案米”的長(zhǎng)度制造的，當(dāng)時(shí)共制出了31 只，截面近似X形，把“檔案米”的長(zhǎng)度以?xún)蓷l寬度為6～8微米的刻線刻在尺子的凹槽（中性面）上。

1889年，在第一次國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，經(jīng)國(guó)際計(jì)量局鑒定的第6號(hào)米原器（31只米原器中在0℃時(shí)最接近“檔案米”長(zhǎng)度的一只）被選為國(guó)際米原器，作為世界上最權(quán)威的長(zhǎng)度基準(zhǔn)器保存在巴黎國(guó)際計(jì)量局地下室中，其余的尺子作為副尺分發(fā)給與會(huì)各國(guó)。大會(huì)規(guī)定，在周?chē)諝鉁囟葹?℃時(shí)，米原器兩端中間刻線之間的距離為1米。

1927年，第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)又對(duì)米定義給出了嚴(yán)格規(guī)定，除溫度要求外，還提出米原器必須保存在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，并對(duì)其放置方法做出了具體規(guī)定。

但是，使用米原器作為米的客觀標(biāo)準(zhǔn)也存在很多缺點(diǎn)，如材料變形、測(cè)量精度不高（只能達(dá)到0.1微米）、很難滿(mǎn)足計(jì)量學(xué)和其他精密測(cè)量的需要，等等。另外，萬(wàn)一米原器損壞，復(fù)制將無(wú)所依據(jù)，特別是復(fù)制品很難保證與原器完全一致，這給各使用國(guó)帶來(lái)了困難。因此，采用自然量值作為單位基準(zhǔn)器的設(shè)想一直為人們所向往。

20世紀(jì) 50年代，隨著同位素光譜光源的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了寬度很窄的氪86同位素譜線，加之干涉技術(shù)的成功，人們終于找到了一種不易毀壞的自然標(biāo)準(zhǔn)，即以光波波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度單位的自然基準(zhǔn)。

1960年，第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)對(duì)米的定義進(jìn)行了如下更改：“米的長(zhǎng)度等于氪86原子的2p10和5d1能級(jí)之間躍遷的輻射在真空中波長(zhǎng)的1650763.73倍。”這一自然基準(zhǔn)性能穩(wěn)定，不存在變形問(wèn)題，容易復(fù)現(xiàn)，而且具有很高的復(fù)現(xiàn)精度。我國(guó)也于1963年建立了氪86同位素長(zhǎng)度基準(zhǔn)。米的定義更改后，國(guó)際米原器仍按原規(guī)定保存在國(guó)際計(jì)量局。

“火星氣候探測(cè)者”號(hào)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)70年代以來(lái)，人類(lèi)對(duì)時(shí)間和光速的測(cè)定都達(dá)到了很高的精確度。因此，在1983年10月于巴黎召開(kāi)的第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，又通過(guò)了米的新定義：“米是1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)光在真空中行程的長(zhǎng)度?！?/p>

這樣一來(lái)，基于光譜線波長(zhǎng)的米的定義就被新的米定義所替代了。

從“自家米”到“國(guó)際米”

采用國(guó)際單位，能夠使本國(guó)比較快地和國(guó)際科學(xué)界、工商業(yè)接軌，是一個(gè)國(guó)家向世界開(kāi)放的標(biāo)志。

清光緒三十四年（1908），清政府?dāng)M訂劃一度量衡制和推行章程，商請(qǐng)國(guó)際權(quán)度局制造鉑銥合金原器和鎳鋼合金副原器，次年制成運(yùn)回國(guó)。1928年，中華民國(guó)政府公布度量衡法，規(guī)定采用“萬(wàn)國(guó)公制”為標(biāo)準(zhǔn)制，并暫設(shè)輔制“市用制”作為過(guò)渡，即1公尺為3市尺，1公升為1市升，1 公斤為2市斤。改革后的市制適應(yīng)民眾習(xí)慣，又與公制換算簡(jiǎn)便，逐漸為民眾所接受。1949年后，市用制通行全國(guó)。

1984年，國(guó)務(wù)院發(fā)布命令，采用以國(guó)際單位制為基礎(chǔ)，同時(shí)選用一些非國(guó)際單位制單位的中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位（簡(jiǎn)稱(chēng)法定單位）。當(dāng)時(shí)，考慮到民眾習(xí)慣，對(duì)中藥方劑計(jì)量還保留了市用制;1979年1月1日，中藥方劑計(jì)量也開(kāi)始使用公制。自1991 年1月1日起，法定單位制成為我國(guó)唯一合法的計(jì)量單位。

迄今為止，世界上224個(gè)國(guó)家和地區(qū)，絕大部分都采用國(guó)際單位制，只有美國(guó)、緬甸和利比里亞3個(gè)國(guó)家還堅(jiān)持使用英制而拒絕使用公制。后兩個(gè)國(guó)家可能是由于習(xí)慣問(wèn)題，美國(guó)則認(rèn)為自己是科技、工業(yè)、教育界老大而拒絕使用。

不過(guò)，美國(guó)也為此付出了代價(jià)，除了大量的單位換算給教學(xué)和交換帶來(lái)不便之外，還造成過(guò)巨大的損失。1999年，美國(guó)宇航局“火星氣候探測(cè)者”號(hào)發(fā)現(xiàn)它距離火星比科學(xué)家預(yù)測(cè)的近了60英里（96千米）左右。這不是因?yàn)闀r(shí)空關(guān)系出現(xiàn)了問(wèn)題，而是因?yàn)樵凇盎鹦菤夂蛱綔y(cè)者”號(hào)開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)了兩種計(jì)量單位的沖突。美國(guó)宇航局科學(xué)家在計(jì)算中采用的是公制單位（如米和厘米等），但提供導(dǎo)航軟件的洛克希德·馬丁公司的工程師在研究中采用的是英尺、英寸等英制單位。結(jié)果，由于運(yùn)行軌道總不穩(wěn)定， 耗資8000萬(wàn)英鎊建造的“火星氣候探測(cè)者”號(hào)最終撞向火星表面報(bào)銷(xiāo)。

【責(zé)任編輯】趙 菲