一米到底有多長

羅鋒

在中國古代與近代，我們使用的計(jì)量單位里是沒有“米”這個(gè)概念的，一般用“寸”、“尺”、“丈”等來表示長度。談到“米”的來歷，就要從米制的建立說起。米制是國際上最早建立的一種計(jì)量單位制度，在17、18世紀(jì)，人們認(rèn)為計(jì)量單位和計(jì)量制度比較混亂，影響國際貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技交流，迫切希望科學(xué)家能研究出一種新的、通用的、適合所有國家的計(jì)量單位和計(jì)量制度。

米的由來

1675年，意大利科學(xué)家提托·李維歐·布拉提尼首次在論文中使用了met -ro cattolico-詞，該詞是由希臘語”STQO-）caOoUM6v（metron katholikon）衍生而來的，意為”一種通用測量單位*。到1688年，英國哲學(xué)家和教士約翰·威爾金斯提出需要一個(gè)十進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)的長度單位系統(tǒng)對國際通用長度計(jì)量作進(jìn)一步細(xì)化和統(tǒng)一。法國大革命勝利后，國民公會(huì)令法國科學(xué)院組織一個(gè)委員會(huì)來制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的度量衡制度。委員會(huì)提出了一套新的十進(jìn)制度量衡制度。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為地球的大小是不變的，于是開始測量地球子午線，并建議以通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點(diǎn)距離的一千萬分之一（即地球子午線的四千萬分之一）的長度定為1米，并用鉑制成了截面為4mmX 25. 3mm的一根標(biāo)準(zhǔn)米尺。這根米尺就成為了世界上最早的米原器，現(xiàn)存于法國檔案館。考慮到能在全世界通用，米尺的單位名稱沒有采用法語，而是采用古希臘語metre，意為測量，后演變?yōu)閙eter，中文譯為“米突”或“米”。1791年，該方案獲法國國會(huì)批準(zhǔn)。

米的發(fā)展

為了進(jìn)一步統(tǒng)一世界的計(jì)量制度，18 69年法國政府向一些國家發(fā)出邀請，希望他們派代表到巴黎召開“國際米制委員會(huì)”會(huì)議。在1872年8月開會(huì)時(shí)，共有24個(gè)國家派出了代表，會(huì)議決定以巴黎檔案局所保存的米原器為基準(zhǔn)，復(fù)制一些新原器發(fā)給與會(huì)國。至此，米制便開始在各國萌芽。到了1875年3月1日，法國政府又召集了20個(gè)國家的政府代表和科學(xué)家參加“米制外交會(huì)議”，并于當(dāng)年5月20日由17個(gè)國家的代表簽署了《米制公約》，為米制的傳播和發(fā)展奠定了國際基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)的清政府雖未參加米制公約，但早在1858年（清咸豐八年）訂立《天津條約》以后，中國就正式接受英、法、德、俄等國的度量衡單位制，使中國清制和米制建立了換算關(guān)系。1889年，在第一次國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）上，把經(jīng)國際計(jì)量局鑒定的第6號米原器選為國際米原器，并作為世界上最權(quán)威的長度基準(zhǔn)器，其余的米原器作為副尺分發(fā)給與會(huì)各國，成為各國的度量基準(zhǔn)，并對“米”作了定義：0℃時(shí)，巴黎國際計(jì)量局的截面為X型的鉑銥合金尺兩端刻線記號間的距離。這便是“米”定義的第一次變遷。自此，米制在全世界廣泛傳播，也被普遍接受。

隨著米制的廣泛應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了一些問題。實(shí)際上，米原器給出的長度并不一定正好是l米，由于刻線工藝、材料變形和測量方法等方面的原因，在復(fù)現(xiàn)量值時(shí)會(huì)有一定的誤差。受刻線寬度的影響，科學(xué)家們對米原器的準(zhǔn)確度（只達(dá)0. 2u由感到不滿意。而且這根米原器太嬌弱，為保持準(zhǔn)確度，必須終年放在恒溫房里，不能讓陽光直射。如果外界變化一個(gè)大氣壓，它就會(huì)伸縮萬分之一毫米：加上鉑銥合金會(huì)受熱脹冷縮的影響，很難滿足精密零件的測量;此外.由于它是金屬制造，長時(shí)間存放就會(huì)被腐蝕、損壞，再造一個(gè)和原來一模一樣的米尺幾乎是不可能的?；诜N種原因，科學(xué)家們不得不尋求新的“米”的定義方法。

1880--1882年，美籍德國科學(xué)家阿爾伯·邁克爾遜在柏林大學(xué)研制了一臺(tái)鏡式干涉儀。經(jīng)過不斷地改進(jìn)和完善，他在1892年第一次用鎘紅外波長，以光波干涉法測量了國際米原器，測量準(zhǔn)確度高達(dá)2.5X l0-7m，比法國檔案局保存的測量器的準(zhǔn)確度提高了100倍。干涉儀的出現(xiàn)使長度計(jì)量邁進(jìn)了一大步，有效地促進(jìn)了計(jì)量科學(xué)的發(fā)展。

隨著科學(xué)研究的深入，到20世紀(jì)50年代末，出現(xiàn)了一種氪86同位素光源，它在規(guī)定的條件下所輻射在真空中橙黃色譜線的波長值是恒定不變的。這正好可作為理想的“自然基準(zhǔn)”。只要是在規(guī)定的條件下，可任意復(fù)制具有相同波長的光源，因此各國均可具有而無需溯源到米原器。1960年，在第十一屆國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）上，決定用氪（Kr）橙線代替鎘紅線，并決定把米的定義改為：“米的長度等于氪86原子的2p：。和5d;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(zhǔn)，性能穩(wěn)定，沒有變形問題，容易復(fù)現(xiàn)，且具有很高的復(fù)現(xiàn)精度，相對誤差不超過4X 10-。，相當(dāng)于在l千米長度測量中不差4微米。這便是“米”定義的第二次變遷。這種以自然基準(zhǔn)代替實(shí)物基準(zhǔn)的做法，也是計(jì)量科學(xué)的一次革命。

米的飛躍

自然基準(zhǔn)的建立幾乎要實(shí)現(xiàn)科學(xué)家們長期以來所追求的目標(biāo)，但是用光波波長定義的“米”雖具有穩(wěn)定、不受環(huán)境影響，且容易復(fù)現(xiàn)的優(yōu)勢，可在特殊條件下，使用氪86很困難，仍不是最理想的“米原器”。

20世紀(jì)60年代，一種光的方向性好、亮度高、單色性強(qiáng)的“氣體激光”出現(xiàn)了，它比氪86光源優(yōu)越許多倍。隨著穩(wěn)頻和伺服技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，又使激光器輸出頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性提高到百億分之一（1X 10叫。），而后測得的真空中光速值為299792458米/秒，其準(zhǔn)確度比氪（Kr）橙線又提高了100倍。1979年，經(jīng)“米定義咨詢委員會(huì)”研究，正式提出了這個(gè)米定義的新概念，并得到1983年召開的第16屆國際計(jì)量大會(huì)的批準(zhǔn)。米的新定義為：米是光在真空中1/299792458秒時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)路徑的長度。這便是米的第三次變遷。該定義的優(yōu)點(diǎn)在于它不固定某一波長的光源，只要己知它的頻率，許多不同波長的光源均可在不同的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)米，適用范圍很廣。所以，它被認(rèn)為是米定義的一次質(zhì)的飛躍。

國際米原器

歷經(jīng)百年，米的定義由宏觀自然基準(zhǔn)到實(shí)物基準(zhǔn)，又發(fā)展為微觀自然基準(zhǔn)，并且正繼續(xù)向著不確定度更小的微觀自然基準(zhǔn)發(fā)展。