質(zhì)量單位的歷史變遷與發(fā)展

◇陳黎春

質(zhì)量單位和長(zhǎng)度單位、面積單位等一樣，都有著漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史，飽含傳統(tǒng)民族文化。古今中外，各個(gè)國(guó)家采用過(guò)許多名稱(chēng)各異的質(zhì)量單位，例如英、美兩國(guó)的磅，英國(guó)的盎司，俄羅斯的普特，我國(guó)的鈞、斤、兩等。隨著歷史的發(fā)展，國(guó)家的統(tǒng)一，商品流通和社會(huì)公平的需要，質(zhì)量單位慢慢走向統(tǒng)一。

一 我國(guó)古代質(zhì)量單位的創(chuàng)立與發(fā)展

我國(guó)質(zhì)量單位的起源，最早可以追溯到約4000年前的夏朝。據(jù)說(shuō)，大禹曾經(jīng)用自己的體重作為質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。而有記載可查的質(zhì)量單位，當(dāng)以彝器上的鋝（lüè）和鈞為最早，但一鋝是多少以及鋝和鈞的關(guān)系現(xiàn)在已無(wú)法知道。這兩個(gè)單位在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期還在使用，秦漢間的文獻(xiàn)對(duì)于鋝的多少也沒(méi)有一致的說(shuō)法。中國(guó)的鋝雖有輕、重兩種說(shuō)法，通行的是重的一種，即三鋝重二十兩。這由毛公鼎銘文中的 “取專(zhuān)卅寽”（取三十鋝）可以證明。在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期只有兩種質(zhì)量單位，即斤和鎰，一斤為十六兩，一鎰為二十兩（也有一說(shuō)是二十四兩）。

再往后，人們用單位體積的黃金、水和黍的重作為質(zhì)量的單位，《漢書(shū)·食貨志》記載“黃金方寸，而重一斤”，《后漢書(shū)·禮儀志》記載“權(quán)水輕重，水一升，冬重十三兩”，《漢書(shū)·律歷志》記載“黃鐘律管，長(zhǎng)九寸，孔徑三分，圍九分，一龠（yuè）容一千二百黍，重半兩”。以上記載中分別以黃金和水的密度、黍的容重給出長(zhǎng)度和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)單位量 (容量是長(zhǎng)度的導(dǎo)出量)，在規(guī)定條件下，黃金、水的密度和黍的容重是常量(或統(tǒng)計(jì)出它的平均值)，這三個(gè)量互為變量，其中一個(gè)量的單位量值發(fā)生變化，其他兩個(gè)也相應(yīng)變化。漢代利用金屬和水的密度確定度量衡單位量值的方法與1874年米制公約將長(zhǎng)度、體積和質(zhì)量的量值相互關(guān)聯(lián)起來(lái)（即1克是1立方厘米的水在最大密度下的質(zhì)量）是十分相似的。

若論真正意義上的質(zhì)量單位，最早出現(xiàn)在2300多年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，后來(lái)經(jīng)過(guò)秦、漢、隋、唐、宋等不同朝代的變化，質(zhì)量單位慢慢得到了統(tǒng)一。其中主要包括：三十斤是一鈞，十圭是一銖，二十四銖是一兩，十六兩是一斤。《孫子算經(jīng)》《夏侯陽(yáng)算經(jīng)》《前漢·律歷志》等古書(shū)中均有相關(guān)記載，并且可以明確這一點(diǎn)：衡起源于黍的數(shù)量與質(zhì)量，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是黃鐘。

具體來(lái)講，把一龠（龠即黃鐘）能裝下的一千二百粒黍的質(zhì)量，定為十二銖，即一百粒黍重一銖。兩龠為一兩，即二十四銖，象征二十四節(jié)氣。一斤十六兩，象征四個(gè)季節(jié)乘東西南北四個(gè)方向。一鈞三十斤，象征一月三十天。四鈞為一石，象征四個(gè)季節(jié)?！般彙薄皟伞薄敖铩薄扳x”“石” 五權(quán)就這么鄭重定下了，這也解釋了過(guò)去的市制質(zhì)量單位為什么不是十進(jìn)制的原因。在漢代，黃鐘律管的長(zhǎng)度只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這就是九寸(合今20.79厘米，一尺合23.1厘米)?！耙渣S鐘樂(lè)律為理論基礎(chǔ)、律管為實(shí)物根據(jù)，再加累黍參校驗(yàn)證”的方法，形成了2000多年來(lái)確定度量衡單位標(biāo)準(zhǔn)之傳統(tǒng)正法。

但是從解放前流傳下來(lái)的常用質(zhì)量單位是斤、兩、錢(qián)、分、厘，沒(méi)有銖。這個(gè)變化源于唐宋，原因在于非十進(jìn)制計(jì)算比較麻煩。唐朝的銅錢(qián)“開(kāi)元天寶”，每枚重二銖四累（古用絫），十枚重二十四銖為一兩，后來(lái)覺(jué)得計(jì)算不方便，就改為十錢(qián)為一兩 ，即用“錢(qián)”代替了“銖”，與“累”“黍”一樣，均為十進(jìn)制。到了宋代，又用“分”“厘”代替了“累”“黍”，“錢(qián)”以下的質(zhì)量單位借用長(zhǎng)度的十進(jìn)位制單位分、厘、毫、絲、忽。而“斤”“兩”“錢(qián)”“分”“厘”等質(zhì)量單位一直沿用到如今。由十六兩一斤改為十兩為一斤是1959年6月25日國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于統(tǒng)一計(jì)量制度的命令》中確定的內(nèi)容之一，當(dāng)時(shí)統(tǒng)一了“十兩是一斤，二斤是一公斤，一公斤等于一千克”。這樣的統(tǒng)一，不但讓人們使用質(zhì)量單位更加方便，而且讓我國(guó)的質(zhì)量單位與世界標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量單位成功接軌了。

二 我國(guó)古代稱(chēng)量工具的發(fā)明與發(fā)展

當(dāng)物品有所豐富，初步的計(jì)量單位確定之后，人們意識(shí)到還需要做出標(biāo)準(zhǔn)器物將其固化，以使單位基準(zhǔn)能夠長(zhǎng)期保存并便于傳遞。自夏商周三代到秦漢，稱(chēng)量工具大致經(jīng)歷了從直觀感知、假借器物測(cè)量到創(chuàng)造出專(zhuān)用器物的成長(zhǎng)歷程。

最早，人們只憑借感覺(jué)確定物體的質(zhì)量，如以“手捧為升”量糧食。直到春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，仍是用升、斗、合等容量單位來(lái)測(cè)量糧食的質(zhì)量，此后再逐步過(guò)渡到石、鈞、斤、兩等。

我國(guó)古代人民是最早使用天平來(lái)測(cè)量物體質(zhì)量的。（如圖1）天平的本質(zhì)是等臂杠桿（古稱(chēng)衡），支點(diǎn)在中間，兩端分別掛待測(cè)物體與砝碼（古稱(chēng)權(quán)）。杠桿水平靜止時(shí)，物重和權(quán)重相等，從砝碼質(zhì)量可知物體質(zhì)量。天平測(cè)量質(zhì)量很準(zhǔn)確，但要求配備成套的砝碼，攜帶很不方便，并且量程受到限制。西漢后，權(quán)衡器逐步轉(zhuǎn)化為不等臂的桿秤、秤砣。桿秤量程廣，使用和攜帶都很方便，制作也簡(jiǎn)單，受到人們的歡迎，一直流傳至今。人們對(duì)質(zhì)量這一概念的認(rèn)識(shí)比長(zhǎng)度和時(shí)間更晚，直到18世紀(jì)，才由牛頓最后確立了質(zhì)量的概念。（如圖 2）

圖1 古代的天平

圖2 人類(lèi)的活動(dòng)與天平的發(fā)明

秦孝公十八年(公元前344年)，商鞅監(jiān)制頒發(fā)了銅方升，采用“以度審容”的方法，即以尺寸定容積。銅方升刻銘以十六又五分之一立方寸的體積為一升的容量。商鞅方升是現(xiàn)存最早的度量衡標(biāo)準(zhǔn)器（如圖3）。隨著人們度量的不斷精細(xì)化，對(duì)稱(chēng)量工具的要求也越來(lái)越高，成書(shū)于戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的手工技術(shù)總匯——《考工記》一書(shū)，詳細(xì)記載了釜、斗（古用豆）、升這三量合一的復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)器——栗氏量的制造工藝、形制規(guī)格等技術(shù)資料。西漢末年，天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家劉歆參照《考工記》中“栗氏量”制成了一件劃時(shí)代的復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)量器——“新莽銅嘉量”?！靶旅с~嘉量”五量合一，由一個(gè)器物表現(xiàn)出龠、合、升、斗、斛這五種量器的大小，同時(shí)還能表現(xiàn)出長(zhǎng)度單位和質(zhì)量單位的大小，按照其設(shè)計(jì)，還應(yīng)該在敲擊時(shí)，能表現(xiàn)出音律黃鐘調(diào)來(lái)。新莽銅嘉量制成后，成為歷代制作度量衡標(biāo)準(zhǔn)器所必須參照的模板，清代乾隆時(shí)期制作度量衡標(biāo)準(zhǔn)器——乾隆嘉量，就是以新莽銅嘉量為參照對(duì)象的。相比之下，歐洲直到17世紀(jì)，才由開(kāi)普勒制作出開(kāi)普勒量器。

圖3 戰(zhàn)國(guó) 秦 商鞅銅方升容積202.15立方厘米

三 國(guó)際質(zhì)量單位的演進(jìn)歷史

目前，質(zhì)量單位千克是國(guó)際單位制中最常見(jiàn)的七個(gè)基本單位之一，也是唯一一個(gè)采用實(shí)物復(fù)現(xiàn)的方式來(lái)表示其屬性的單位。國(guó)際上對(duì)質(zhì)量單位千克的規(guī)定大致經(jīng)歷了以下三個(gè)歷程：理論定義、檔案局千克、千克原器。

最初質(zhì)量單位千克是由長(zhǎng)度單位米導(dǎo)出的，即在4°C、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1立方分米的純水的質(zhì)量為1千克。1799年根據(jù)這個(gè)理論定義用鉑作了一個(gè)圓柱體砝碼作為質(zhì)量單位基準(zhǔn)保存在法國(guó)檔案局，稱(chēng)為檔案局千克。但實(shí)際操作中根據(jù)理論定義復(fù)現(xiàn)千克有許多困難，確定1立方分米的純水過(guò)程中存在許多不確定因素。為此決定放棄質(zhì)量單位的理論定義采用檔案局千克作為質(zhì)量單位基準(zhǔn)使用。

米制公約組織成立后，建立的國(guó)際計(jì)量局用鉑銥合金仿照檔案局千克制成一批千克原器。這些千克原器是由90%的鉑和10%的銥組成的鉑銥合金制成的，各自純度為99.99%，而且它們是在真空中冶煉成后又經(jīng)精心鍛造，故它們的基體密度很大，合金內(nèi)部物質(zhì)變化和氣體釋放所引起的質(zhì)量變化很微小，可以忽略不計(jì)。由于這種合金中有一定數(shù)量的銥，其硬度大大提高而且耐磨。為減少由于磨損或其他物質(zhì)吸附而引起的質(zhì)量變化，在制造千克原器時(shí)，要盡可能地減少其表面積，以保證其測(cè)量結(jié)果的精確度。考慮到使用球體作為原器形狀，在加工、校準(zhǔn)以及使用過(guò)程中的諸多不便，設(shè)計(jì)者便選擇正圓柱體作為其基本形狀，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中將其高度和直徑都設(shè)置為39mm，將其棱邊略微修圓。在第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上選了最接近檔案局千克的一個(gè)千克原器作為質(zhì)量的國(guó)際單位——千克，即國(guó)際千克原器，余下的大部分分發(fā)給有關(guān)國(guó)家作為該國(guó)的千克原器。我國(guó)于1965年從英國(guó)引進(jìn)了國(guó)際計(jì)量局編號(hào)為60號(hào)的千克原器，1986年經(jīng)原國(guó)家計(jì)量局批準(zhǔn)，把60號(hào)千克原器作為國(guó)家質(zhì)量基準(zhǔn)。

1984年，我國(guó)在國(guó)際質(zhì)量單位的基礎(chǔ)上發(fā)布了t(噸)和u（原子質(zhì)量單位），這兩個(gè)單位是由16個(gè)國(guó)家選定的非國(guó)際單位制單位。根據(jù)國(guó)際協(xié)議，規(guī)定C12原子質(zhì)量的為一個(gè)原子質(zhì)量單位。利用質(zhì)譜儀測(cè)定其他原子的質(zhì)量，可以達(dá)到相當(dāng)高的精確度。我們之所以增加這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)榘茨壳皽y(cè)量技術(shù)，將各種原子質(zhì)量相互比較時(shí)的精確度，遠(yuǎn)高于將原子質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)千克比較所達(dá)到的精確度。這兩個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)單位之間的關(guān)系近似地為1原子質(zhì)量單位=1.661×10-27千克。

目前，在七個(gè)最常見(jiàn)國(guó)際基本單位中，除質(zhì)量單位外，其他基本量均已建立起統(tǒng)一的自然基準(zhǔn)，并隨著其發(fā)展做出適當(dāng)調(diào)整。而對(duì)于質(zhì)量單位，其定義仍局限在國(guó)際千克原器上，使得各國(guó)無(wú)法單獨(dú)復(fù)現(xiàn)千克，同時(shí)國(guó)際千克原器的量值也難以達(dá)到固定不變。從這一角度來(lái)看，說(shuō)質(zhì)量單位還未成熟，有待繼續(xù)成長(zhǎng)一點(diǎn)也不為過(guò)。然而讓人樂(lè)見(jiàn)的是，人們一直在尋求用某種自然規(guī)律或物質(zhì)特性，像米原器一樣，試圖在精確測(cè)量的基礎(chǔ)上對(duì)質(zhì)量單位進(jìn)行精準(zhǔn)的定義，以期建立自然基準(zhǔn)，相信這一天必將會(huì)到來(lái)。

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