漫話“米”的由來

楊正波

長度單位“米”是國際單位制中最重要的基本單位之一。許多物理量的單位都是由“米”和其他基本單位組成的，例如速度、加速度、功等。然而，長度單位“米”的定義卻經(jīng)歷了漫長的數(shù)次變更。

“米”的起源

最初。人們用身體的一部分作為長度單位。三國時期《孔子家語》有“布指知寸。布手知尺”的記載。說明古代曾把手指頂端一節(jié)的長度定為1寸。把大拇指與中指張開（即1拃）的長定為1尺（如圖1），成年男子的身高為1丈。所以今天成年男子仍被稱為“丈夫”。可是。買布的和賣布的“拃”不一樣長。怎么辦？

隨著生產(chǎn)和交換的發(fā)展。便出現(xiàn)了統(tǒng)一長度單位的要求。但世界各國的規(guī)定卻五花八門。并且各個時期、各個朝代還時常變化。古羅馬凱撒大帝規(guī)定以羅馬士兵步行2000步為“1羅馬里”：公元前4000年。古埃及的法老以他的肘拐至中指尖的距離為“1腕尺”（如圖2），一腕尺分為七個掌尺（一個人手掌的寬度），每個掌尺又分為四個指尺（除去大拇指，一個手指頭的寬度），胡夫金字塔高300腕尺。約合147m：古希臘人以美男子庫里修斯伸開雙臂時兩手的中指尖的距離為“1潯”，約合1.829m；9世紀。英國國王亨利一世規(guī)定以他的鼻尖到伸直手臂中指尖的距離為“1碼”。約等于現(xiàn)在的0.9144m：英國國王埃德加規(guī)定以他拇指的關(guān)節(jié)長度為“1英寸”。我國古代也有著形形色色的長度單位?！妒酚?。夏本紀》記載有“禹‘身為度”。即大禹治水時。曾用自己的身長作為長度標準進行治水工程的測量。他將自己身長定為1丈，10等分。每份為1尺，以拇指的寬度為1寸：唐太宗李世民規(guī)定。以他的雙步。也就是左右腳各一步作為長度單位，叫作“步”，并規(guī)定1步為5尺，300步為1里。18世紀工業(yè)革命后，科學技術(shù)迅速發(fā)展。各國互相通商。迫使科學家去尋找能保持經(jīng)久不變的國際統(tǒng)一的長度標準。

“米”的第一次定義

國際單位制的長度單位“米”是在法國“誕生”的。1791年在法國科學院推薦下。國會采納了以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為基本長度單位。并用古希臘文中“metron”一詞給這個單位命名。后來演變?yōu)椤癿eter”。中文叫“米”。為了制造出標準1m的模型。法國天文學家約瑟夫。德朗布爾和安德烈·梅尚用了7年時間。他們從巴黎出發(fā)背向而行。共同完成了從敦刻爾克到巴塞羅那之間地球子午線弧長的測量。1799年根據(jù)測量結(jié)果制成一根X形截面的鉑桿（如圖3），將鉑桿兩端之間的距離定為1m。并交法國檔案局保管，所以也稱為“檔案米”。在法國使用了近100年。

1875年3月1日。法國國民議會邀請了20個國家的政府代表與科學家參加在巴黎召開的國際會議。同年5月20日。美國、俄國、德國和意大利等17國代表正式簽署了“米制公約”。并決定成立國際計量委員會和國際計量局。經(jīng)國際計量局多年的研制。最后用含90%的鉑和10%的銥合金以“檔案米”為基準制成30個米原器。1889年第一屆國際計量大會上。經(jīng)過遴選。確定第6號米原器（0℃時最接近“檔案米”長度的一個）為國際米原器，作為世界上最有權(quán)威的長度基準器。保存在巴黎國際計量局的地下室中。其余的分發(fā)給與會各國。并要求定期送往巴黎與米原器進行比對?！懊住弊钤绲亩x為：在水冰點溫度時米原器兩端中間刻線之間的距離。1927年第七屆國際計量大會完善“米”的定義為：0℃及標準大氣壓條件下。米原器軸線方向上兩端線間的距離。

“米”的第二次定義

由于米原器的精度不高（只能達到0.1μm）、容易變形、使用不便（為了保持精度，必須在恒溫、恒壓室內(nèi)存放和使用），如果國際米原器損壞。很難復(fù)制一個和原來一模一樣的。因此。采用自然量值作為單位基準器的設(shè)想一直為人們所向往。1892年。美國物理學家邁克耳遜在柏林大學研制了一臺鏡式干涉儀。為了盡快應(yīng)用于實踐。他用鎘紅外線以光波干涉法測量國際米原器。結(jié)果精度比國際米原器提高了100倍。從而提供了用光波波長作為長度基準的可能性。1950年以后。隨著同位素光源的發(fā)展。出現(xiàn)了一些復(fù)現(xiàn)精確度高、單色性好的光源。1960年第十一屆國際計量大會給“米”下了第二次定義：米的長度等于氪86原子的2P10和5d1能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍。這一自然基準性能穩(wěn)定，不受環(huán)境影響。只要符合定義規(guī)定的物理條件，就能復(fù)現(xiàn)。不用再去巴黎比對，從而結(jié)束了國際間使用了70年的實物基準。

“米”的第三次定義

20世紀60年代初出現(xiàn)了一種新型光源——激光。由于它具有單色性好、亮度高和方向性好等特點。是理想的“光尺子”。不久物理學家和計量學家就開始了用激光替代氪86作為長度基準的研究。1983年10月在巴黎召開的第十七屆國際計量大會上又通過了“米”的新定義：米是光在真空中1/299792458s時間間隔內(nèi)所經(jīng)歷路徑的長度。這就是現(xiàn)今“米”的定義。它將真空中的光速作為一個固定不變的基本物理常量。把長度單位統(tǒng)一到時間上。從而利用高精度的時間標準測量長度。

從“米”定義的演變和發(fā)展。可以看出經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展不斷對計量科學技術(shù)提出的新要求。同時高精度的計量單位也促進了自然科學的進步。

責任編輯 林洋