無處不在的計(jì)量
——計(jì)量的發(fā)展故事

◆本刊綜合

圖/圖蟲創(chuàng)意

計(jì)量，古稱“度量衡”，是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)社會(huì)的工具。不論是生活中常見的電子秤，還是水、電、氣表，以及出租車的計(jì)價(jià)器等，都表明了計(jì)量與我們的生活息息相關(guān)。

從農(nóng)業(yè)社會(huì)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)量到工業(yè)社會(huì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)量，再到現(xiàn)代社會(huì)的量子傳感，計(jì)量始終與時(shí)代同頻、同向發(fā)展。

計(jì)量的起源

遠(yuǎn)古時(shí)期，人類祖先以“結(jié)繩記事”的方式來記錄。在唐代畫作《伏羲女媧圖》中，女媧持規(guī)，伏羲持矩，其中“規(guī)”指圓規(guī)，“矩”指直角尺，規(guī)矩決定宇宙之方圓，啟迪人類權(quán)衡輕重之智慧。兩者不僅是最早的計(jì)量器具，更是社會(huì)秩序的象征。

“布手知尺”“邁步定畝”“掬手成升”，這些都是我國早期的以身體部位為測(cè)量準(zhǔn)則的計(jì)量方法。其中，“布指知寸，布手知尺，舒肘知尋，斯不遠(yuǎn)之則也”意為中指節(jié)上一橫紋為一寸，拇指同中指一叉相距為一尺，兩臂伸長叫一尋。“布手知尺”僅限于男子，“咫尺”則表示女子拇指指尖到食指指尖的長度。

“舉足為跬，倍跬為步”，即單腳邁出為“跬”，雙腳相繼邁出為“步”。跬是早期社會(huì)最小的測(cè)量土地面積的單位，“六尺為步”相當(dāng)于現(xiàn)在的1.4 米。

“掬手成升”即雙手合盛為“掬”，只手單盛為“溢”。這種計(jì)量方法使人們?cè)谏钪薪灰咨唐纷兊糜袚?jù)可依。

史料記載，黃帝設(shè)立了度、量、衡、里、數(shù)五個(gè)量。夏朝初期，我國開始建立相對(duì)統(tǒng)一的測(cè)量時(shí)間、長度、容量和質(zhì)量的器具和制度。戰(zhàn)國時(shí)期，木工尺被廣泛流傳使用，銅尺也開始被生產(chǎn)制作，古人還根據(jù)當(dāng)時(shí)掌握的力學(xué)原理，創(chuàng)造了原始的天平。

秦朝統(tǒng)一度量衡，對(duì)度量衡計(jì)量器具加以定型化和制度化，促進(jìn)了計(jì)量器具的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，奠定了我國古代計(jì)量科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。作為統(tǒng)一量制的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器——商鞅方升，用“以度審容”的方法便于復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)容量以推廣統(tǒng)一的量值，足以說明當(dāng)時(shí)制定單位制已具有較高的科學(xué)性。

1875年5月20日《米制公約》的簽署，標(biāo)志著全球計(jì)量領(lǐng)域合作的正式開啟，每年的5 月20 日“世界計(jì)量日”也由此而來。

成為科學(xué)研究的“眼睛”

人類科學(xué)研究的革命、工業(yè)制造的迭代升級(jí)都離不開計(jì)量技術(shù)的精進(jìn)。高端科學(xué)儀器追求更高的靈敏度和精度，是科學(xué)研究、工程探測(cè)、醫(yī)療診斷等不可或缺的重要工具。隨著量子科技的發(fā)展，量子精密測(cè)量（量子傳感）成為幫助人類打開微觀世界的“武器”。量子傳感器是人類能研制的最“小”的傳感器，能測(cè)量一些現(xiàn)代儀器無法測(cè)量的信號(hào)，比如微弱的磁場(chǎng)、神經(jīng)元放電、血液中的分子標(biāo)識(shí)物等。可以理解為，電子、光子、聲子等構(gòu)筑了類似高靈敏度尺子的量子體系，借助量子精密測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如壓力、溫度、磁場(chǎng)乃至?xí)r間等各種物理量更精密的測(cè)量。

而量子糾纏可以進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度。假設(shè)讓數(shù)把“量子尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對(duì)這些量子尺的作用就會(huì)相互疊加，最終測(cè)量的精度將突破經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，并提高倍數(shù)，達(dá)到量子力學(xué)理論范疇內(nèi)的最高精度——海森堡極限。

原子鐘是世界上已知最精確的計(jì)時(shí)儀器，它借助量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)精度的極限。

未來，隨著科技的進(jìn)步，人類還將繼續(xù)推動(dòng)精密計(jì)量一路前行。