一米的由來(lái)　不簡(jiǎn)單

劉聲遠(yuǎn)

我們?cè)谌粘Ｓ?jì)量中經(jīng)常會(huì)用到米這個(gè)長(zhǎng)度單位。雖然我們對(duì)這個(gè)長(zhǎng)度單位的應(yīng)用習(xí)以為常，但你知道這個(gè)“米”的由來(lái)嗎？其實(shí)說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)。

國(guó)王手臂定尺寸

在古埃及，最早的長(zhǎng)度計(jì)量單位之一是腕尺。在古埃及最重要建筑的建造中，計(jì)量所采用的王室腕尺是基于法老（國(guó)王）從手肘到中指末端的臂長(zhǎng)再加上手掌寬度。由于腕尺這個(gè)單位很重要，因此有用花崗巖制作的腕尺棒來(lái)把腕尺標(biāo)準(zhǔn)化。腕尺棒被細(xì)分成更小的長(zhǎng)度單位，這有點(diǎn)像今天把米細(xì)分成分米、厘米和毫米。

吉希臘人從古巴比倫人和古埃及人那里學(xué)到了長(zhǎng)度單位，傳給了古羅馬人。被古羅馬人改進(jìn)的基于人足長(zhǎng)度或走一步的跨度的細(xì)分化長(zhǎng)度單位傳到了歐洲其他地方。例如，走兩步（左一步加右一步）的跨度大約是1米或1碼（約0.914米）。不過(guò)，碼這個(gè)單位并不是基于兩步的長(zhǎng)度，而是基于英格蘭國(guó)王亨利一世伸出的手臂長(zhǎng)度。拉丁語(yǔ)中的1000步就是英語(yǔ)中“里”（即英里，1英里約等于1.609千米）這個(gè)詞的由來(lái)。但是。古羅馬人所說(shuō)的里沒(méi)有今天的1英里這么長(zhǎng)。

不僅是古羅馬人，中國(guó)古人和古印度人也很早就有了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位。而在歐洲一些地方。長(zhǎng)度計(jì)量直到18世紀(jì)基本上仍是基于可變量。例如在英格蘭，為了商業(yè)貿(mào)易的便利，英寸（1英寸約等于2.54厘米）這個(gè)單位是基于3顆大麥粒的長(zhǎng)度。測(cè)量土地的一種長(zhǎng)度單位——標(biāo)尺是基于隨機(jī)選定的16名男子的足長(zhǎng)之和，再用足長(zhǎng)之和乘以倍數(shù)來(lái)定義1英畝（1英畝約等于4047平方米）。在一些地方，農(nóng)田面積的測(cè)量甚至是基于時(shí)間，例如一個(gè)人和一頭牛在一天內(nèi)可耕的土地面積。農(nóng)田面積測(cè)量有時(shí)還取決于耕種的農(nóng)作物大小。例如，種小麥的1英畝與種大麥的1英畝面積不等。

古埃及腕尺棒遺存。

有偏差的標(biāo)尺

在無(wú)需精確化的時(shí)代，如此粗糙、確定性很差的計(jì)量方式并無(wú)大礙。但如果要基于長(zhǎng)度或面積進(jìn)行買賣、收稅，讓武器、機(jī)器的零部件能通用，或進(jìn)行任何類型的科學(xué)調(diào)查，就需要統(tǒng)一的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。18世紀(jì)末米制（十進(jìn)制）在法國(guó)的問(wèn)世，是人們長(zhǎng)久以來(lái)追尋統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不再基于不同的人或不同的地方，而是要“所有時(shí)間、所有民族”都能通用。

拿著量尺的兩名科學(xué)家（舊漫畫(huà)）。

制作合金米尺（1874年）

巴黎天文臺(tái)經(jīng)絡(luò)室地面上畫(huà)著巴黎子午線

1790年，法國(guó)科學(xué)院建立了一個(gè)專門委員會(huì)來(lái)研究統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。該委員會(huì)由一些頗負(fù)盛名的科學(xué)家組成，其中包括波爾達(dá)、拉格朗日和拉普拉斯等。一年后，他們提出了一整套建議，其核心為十進(jìn)制，其中的1米是北極與赤道之間距離的1000萬(wàn)分之1，而這根距離線必須經(jīng)過(guò)巴黎。體積單位1升是基于由蒸餾水結(jié)成的一塊冰立方（其長(zhǎng)寬高都是1分米）的體積。質(zhì)量單位1千克是基于1升蒸餾水在完全真空中的質(zhì)量。

1792年，法國(guó)天文學(xué)家梅香和德朗布爾出發(fā)測(cè)量米，方法是調(diào)查法國(guó)敦刻爾克和西班牙巴塞羅那之間的距離。大約7年后，他們把測(cè)量結(jié)果呈遞給法國(guó)科學(xué)院，后者用鉑金制出了米尺。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，這兩位科學(xué)家在計(jì)算地球的曲率時(shí)有差錯(cuò)，導(dǎo)致法國(guó)科學(xué)院當(dāng)時(shí)確定的1米長(zhǎng)度比用北極和赤道之間距離算出的1米長(zhǎng)度短0.2毫米。雖然這并不是一個(gè)很大的偏差，但科學(xué)家對(duì)此絕不會(huì)善罷甘休。不過(guò)，當(dāng)時(shí)依然決定把這根鉑金米尺作為標(biāo)尺。盡管后來(lái)對(duì)1米的定義有多次改進(jìn)，卻基本上都未脫離這把標(biāo)尺。

有X形截面的新米尺

巴黎公共場(chǎng)所米尺（1796年）的復(fù)制品

隨著時(shí)間推移，越來(lái)越多的歐洲國(guó)家采用法國(guó)米尺作為長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。然而，盡管這些國(guó)家想盡量做到自己的米尺和法國(guó)標(biāo)尺一樣精確，卻沒(méi)有方法來(lái)核實(shí)是否如此。1875年，17國(guó)簽署《米制協(xié)定》，決定召開(kāi)度量衡大會(huì)，建立一個(gè)度量衡外交機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)與科學(xué)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步同步的國(guó)際計(jì)量體系。

當(dāng)時(shí)成立了一個(gè)政府間組織——國(guó)際度量衡局。該局位于巴黎郊外，它指導(dǎo)成員國(guó)重視度量衡學(xué)的重要性。該局是國(guó)際單位制的最終仲裁者，也是物理測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的制定者。千克是國(guó)際單位制中最后一個(gè)基于物體的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（2019年5月20日，它被基于一個(gè)自然常量的新定義正式替換）。

在那次會(huì)議后，國(guó)際度量衡局決定制作新的米尺，并將其30個(gè)副本發(fā)給成員國(guó)。這把由鉑和銥制作的新米尺，比只用鉑制作的米尺耐用。新米尺不再是扁的，而是有一個(gè)X形的截面，以便更好地防止米尺在使用過(guò)程中的扭曲。新米尺也不是以兩端長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)——新米尺的長(zhǎng)度超過(guò)1米，而新米尺所確定的1米是米尺上兩條平行線之間的距離。新米尺不僅更容易復(fù)制，而且哪怕米尺兩端損壞了也不影響測(cè)量。采用新米尺的正規(guī)測(cè)量必須在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和冰的融點(diǎn)溫度進(jìn)行。

梅格斯測(cè)米方法

郵政局長(zhǎng)與拿著米尺的女報(bào)務(wù)員（1870年畫(huà)）。

新米尺的使用一直持續(xù)到了1927年。當(dāng)時(shí)，由于一門新學(xué)科——干涉量度學(xué)（簡(jiǎn)稱干涉學(xué)）在出現(xiàn)40年來(lái)中所取得的成就，科學(xué)家終于可以對(duì)米進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。采用干涉學(xué)技術(shù)，可通過(guò)讓光波合并或互相“干涉”來(lái)操縱光波，從而精準(zhǔn)測(cè)量波長(zhǎng)（兩個(gè)連續(xù)波峰之間的距離）。

這兩幅示意圖顯示的是一臺(tái)干涉儀的運(yùn)作情況，其中每幅圖中都有一個(gè)激光光源、一臺(tái)分束器、一面移動(dòng)鏡和一臺(tái)記錄波型的探測(cè)儀。在一臺(tái)干涉儀中，兩束或更多束波重疊以產(chǎn)生“干涉圖樣”。干涉圖樣能提供波的詳盡信息，例如波長(zhǎng)。在圖中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的設(shè)置中，來(lái)自激光光源的一束光擊中分束器，形成路徑不同的兩個(gè)光波。其中一個(gè)擊中移動(dòng)鏡。隨著移動(dòng)鏡向探測(cè)儀靠近，移動(dòng)鏡的位置會(huì)改變。如果一個(gè)波的波峰與另一個(gè)波的波谷重疊，這兩個(gè)波就刪除（左圖）。反之，如果兩個(gè)波的波峰重疊，就形成一個(gè)亮斑（右圖）。1960～1983年.這臺(tái)氪86燈被用于確定米。

1960～1983年，這臺(tái)氪86燈被用于確定米。

1927年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局提議用高能鎘原子的干涉圖樣來(lái)確定一種實(shí)用的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。這是有意義的，因?yàn)橄駱?biāo)準(zhǔn)米尺這樣的國(guó)際測(cè)量器不可能被同時(shí)送到每個(gè)地方。另外，標(biāo)準(zhǔn)米尺的復(fù)制品再好，準(zhǔn)確性也不如真品，因此復(fù)制品的測(cè)量結(jié)果不具有普適性。例如，塊規(guī)（檢驗(yàn)工具或工件長(zhǎng)度的用具，是厚度極為精確的長(zhǎng)方形金屬塊）是機(jī)械學(xué)中廣泛采用的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。但由于對(duì)機(jī)械師的加工精度要求極高，因此就算有塊規(guī)，對(duì)機(jī)械師的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)也很高。如果拿其他塊規(guī)來(lái)校準(zhǔn)，顯然精度難以保證。而只要有合適的設(shè)備，各地的科學(xué)家都可能用鎘測(cè)量出米。使用鎘和氪的波長(zhǎng)，可保證塊規(guī)精度達(dá)100萬(wàn)分之1，這比以前的塊規(guī)精度提高了3倍。

1945年前后，核物理學(xué)家用中子撞擊金原子，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。美?guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局物理學(xué)家梅格斯注意到，把無(wú)線電波對(duì)準(zhǔn)汞的一種同位素——汞198，會(huì)產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的綠光。1945年，他得到了少量汞198并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。對(duì)汞198采用干涉技術(shù)，他在3年后提出了一種方便、精確、可復(fù)制的定義米的方法。他測(cè)量出了來(lái)自汞198的綠光波長(zhǎng)——546.1納米。1米可由這個(gè)納米數(shù)的數(shù)十億倍來(lái)定義。

1951年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局向科學(xué)機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)實(shí)驗(yàn)室分發(fā)了13臺(tái)“梅格斯測(cè)米儀”。該局希望進(jìn)一步提高這種重新定義米的技術(shù)精度，但由于缺乏資金，該項(xiàng)目拖到1959年才完成。最終，汞被氪取代。德國(guó)計(jì)量研究院最早提出用氪的一種同位素——氪86來(lái)測(cè)定米，原因是不僅這種同位素在歐洲更容易得到，而且對(duì)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定來(lái)說(shuō)能提供更高的精度。

1960年，第11屆國(guó)際度量衡大會(huì)把1米重新定義為：“真空中特定輻射波長(zhǎng)的1650 763.73倍，特定輻射對(duì)應(yīng)的是氪86原子在能量水平2p10和5d5之間的躍遷。”換句話說(shuō)，當(dāng)氪86原子的電子進(jìn)行特定的能量躍遷時(shí)，它們以波長(zhǎng)605.8納米的橘紅光形式釋放能量。把605.8納米乘以1650763.73，就得到1米的長(zhǎng)度。

用光速確定1米

但這個(gè)氪標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)能持續(xù)多久，這是因?yàn)槊绹?guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局科學(xué)家很快就提出：準(zhǔn)確測(cè)定宇宙中最快的速度——光速，才是確定1米長(zhǎng)度的關(guān)鍵。我們最熟悉的光——可見(jiàn)光，在涵蓋從無(wú)線電波一直到伽馬射線的電磁波譜中只占一小部分。因此，這里的光速是指包括可見(jiàn)光在內(nèi)的所有電磁輻射的速度。

雖然光速快得令人難以置信，但光速也有限度，所以一旦知道了光速，距離就可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單直白的公式來(lái)計(jì)算：距離是速度與時(shí)間的乘積。運(yùn)用這一公式，再加上一些天文學(xué)方法，就能很好地測(cè)定我們與人造衛(wèi)星和其他航天器，與月球、行星甚至更遙遠(yuǎn)天體的距離。光速也是全球定位衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的基石，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)量無(wú)線電信號(hào)在人造衛(wèi)星（配備有原子鐘）和你的手機(jī)或其他裝置之間飛行的時(shí)間來(lái)確定你的位置。確定光速也與另一種方法——激光測(cè)距密切相關(guān)。精確度超高的激光測(cè)距雷達(dá)，能被用來(lái)測(cè)定人造衛(wèi)星的位置和監(jiān)測(cè)地球表面情況。

幾百年來(lái)光速測(cè)定一直很難搞定，但到了1960年，隨著第一臺(tái)激光器的誕生，科學(xué)家終于開(kāi)始著手測(cè)定光速。激光的特點(diǎn)讓它成為在測(cè)定光速方面的一種理想工具。高度準(zhǔn)確地測(cè)量光的頻率是測(cè)量光速的關(guān)鍵。光的頻率，是指每秒通過(guò)一個(gè)固定點(diǎn)的波峰數(shù)量。一旦光的頻率被準(zhǔn)確得知，那么計(jì)算光速就只需用頻率乘以波長(zhǎng)。

1969-1979年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局科學(xué)家取得了激光頻率測(cè)量方面的9大進(jìn)展。其中，該局一個(gè)團(tuán)隊(duì)1972年對(duì)一種新激光的測(cè)量尤其值得一提，這種激光被穩(wěn)定以釋放特定頻率的光。新激光與甲烷氣體強(qiáng)烈作用，而類似的激光在相同頻率下也能運(yùn)作，因此實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)。這種測(cè)量的可重復(fù)性和確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1960年批準(zhǔn)的確定1米長(zhǎng)度的技術(shù)。通過(guò)這種新測(cè)量方式，光速被確定為每秒299 792 456.2±1.1米，這達(dá)到了之前被接受光速值精度的100倍——之前的光速每秒快了大約44米。

參與光速測(cè)定的科學(xué)家。

在這個(gè)光速新數(shù)值發(fā)布之前幾個(gè)月，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)運(yùn)用微波爐調(diào)制來(lái)自氦—氖激光633納米線的光。也得到了光速值。運(yùn)用之前得到的氦—氖紅線波長(zhǎng)，他們算出的光速為每秒299792462±18米。

在這類進(jìn)展的基礎(chǔ)上，1983年的國(guó)際協(xié)定重新定義1米為“光在299792458分之1秒內(nèi)在真空中穿過(guò)的路徑長(zhǎng)度”。這一定義也將光速最終固定在真空中每秒前進(jìn)299 792 458米。至此，長(zhǎng)度不再是一個(gè)獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，而是由極為精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和新定義的光速確定。因?yàn)楣馑俨蛔?，所以在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)這樣的1米定義很難被挑戰(zhàn)。