林波

俗話說：沒有規(guī)矩，不成方圓。當(dāng)我們今天安然享用著十分熟悉的米、秒、千克等度量衡單位時(shí)，我們也許不會(huì)想到，人類為了找到一個(gè)適用的度量衡單位，費(fèi)了多少周折。

“米”的由來

人們很早就想找到一種可靠的、不變的尺度，作為量度距離大小的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最初是以人體作為標(biāo)準(zhǔn)，從3 000多年前古埃及的紙草書中，發(fā)現(xiàn)了人前臂的圖形，用人的前臂作為長度單位，叫“腕尺”。

公元8世紀(jì)末，羅馬帝國的查理曼大帝把他一只腳長定為1呎。

公元9世紀(jì)，撒克遜王朝亨利一世規(guī)定，他的手臂向前平伸，從鼻尖到指尖的距離定為1碼。

相傳我國古代大禹治水時(shí)，曾用自己的身體長度作為長度標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行治水工程的測量。唐太宗李世民規(guī)定，以他的雙步，也就是左右腳各走一步作為長度單位，叫作步，并規(guī)定一步為五尺，三百步為一里。后來又規(guī)定把人手中指當(dāng)中的一節(jié)定為1寸。

到了18世紀(jì)，人們開始感到用人體作為長度標(biāo)準(zhǔn)缺點(diǎn)很多，迫切希望找到一種長度固定不變的度量單位，于是想到了地球。國際單位制的長度單位“米”起源于法國。1790年5月，由法國科學(xué)家組成的特別委員會(huì)，建議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(gè)單位命名，后來演變?yōu)椤癿eter”，中文叫“米”。

為了制造出標(biāo)準(zhǔn)的“1米”模型，法國天文學(xué)家用了7年時(shí)間，于1799年制成一根截面是X形狀的鉑桿，將鉑桿兩端之間的距離定為1米，這就是最早的米定義，稱為“檔案米”，在法國檔案局保管。

由于米原器的精度不夠，且存在變形現(xiàn)象，后來又對1米的定義進(jìn)行了修訂，1960年的修訂定義是：“1米的長度等于氪（86kr）原子的2P10和5d5能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1 650 763.73倍。”1983年第17屆國際計(jì)量大會(huì)上又通過了米的新定義：“1/299 792 458秒的時(shí)間間隔內(nèi)光在真空中所經(jīng)路程的長度。”這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用至今。

“秒”的由來

最早被人們留意到可以用來顯示時(shí)間的，是太陽和月亮的起落。在中國，遠(yuǎn)古時(shí)代就有了用太陽陰影計(jì)時(shí)的日晷，歐洲也于公元前1000年左右發(fā)明了日晷。古羅馬發(fā)生過一件有意思的小事。公元前263年，執(zhí)政官瓦萊里奧·邁薩拉從卡塔尼亞拿回了一尊日晷儀，并把它放在了羅馬的市政廣場上。可沒有想到的是，這日晷的指針稍微有些傾斜。結(jié)果，在長達(dá)1世紀(jì)之久的時(shí)期內(nèi)，古羅馬人都生活在一個(gè)弄錯(cuò)了的時(shí)間里。

日晷儀被使用了很長一段時(shí)間，但它不是很準(zhǔn)確，并且在晚上和多云的天氣就不好用了。因此后來就產(chǎn)生了早期的漏壺計(jì)。后來，由于發(fā)條系統(tǒng)的使用，開始有了機(jī)械表，并且，機(jī)械表變得越來越嚴(yán)密和精確。到16世紀(jì)，德國人比特·海倫發(fā)明了袖珍表。再后來，由于伽利略對鐘擺的研究，使得時(shí)鐘在17世紀(jì)得到再次改進(jìn)。1642年，荷蘭人克里斯蒂·安惠根斯利用鐘擺原理發(fā)明了一種每天只誤差1分鐘的鐘表?，F(xiàn)在的石英表已經(jīng)是相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確了：大約每3億年才會(huì)誤差1秒鐘。

最早把時(shí)間按照相同的間隔進(jìn)行劃分的是蘇美爾人，蘇美爾人創(chuàng)造了許多令人嘆為觀止的東西，包括最早的城市文明。他們把1天分為24小時(shí)，1小時(shí)分為60分鐘。他們還把1年分為了12個(gè)月，每個(gè)月分為30天。

在人類觀察到的自然現(xiàn)象中，以天空中發(fā)生的現(xiàn)象最為明顯，也最有規(guī)律，所以很自然的，時(shí)間的量度便以地球自轉(zhuǎn)的周期作為基準(zhǔn)，這就是所謂的太陽日。1秒=1/86 400平均太陽日。但是由于地球自轉(zhuǎn)并不均勻也不穩(wěn)定，1960年國際計(jì)量大會(huì)確認(rèn)，把時(shí)間基準(zhǔn)改為以地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)為依據(jù)，即：把秒定義為在1900年地球繞太陽沿軌道運(yùn)動(dòng)一周所需時(shí)間的1/31 556 925.974 7。這一數(shù)據(jù)之所以有如此之高的精確度，是因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果是通過為期數(shù)年的一系列天文觀測獲得的。

然而根據(jù)這個(gè)定義很難對“秒”本身進(jìn)行直接比較。正好在這期間，時(shí)間和頻率的測量技術(shù)有了很大發(fā)展。1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)重新規(guī)定了時(shí)間單位的定義：“秒是銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間?！?/p>

科學(xué)家打算重新定義“千克”

對輕重的衡量是在對長短衡量標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之后開始的，衡量單位相當(dāng)復(fù)雜。比如中國的戰(zhàn)國時(shí)期，有石、斤、兩、銖、鎰、鈞等諸多單位，而且秦、楚、魏等國的換算標(biāo)準(zhǔn)還各不相同。其中，1銖在趙國相當(dāng)于0.65克，在秦國則相當(dāng)于0.69克。

現(xiàn)在質(zhì)量的國際標(biāo)準(zhǔn)單位是千克，它的定義是4℃時(shí)裝在棱為10厘米立方體內(nèi)的純水的質(zhì)量。千克的鉑銥合金原器保存在巴黎，是一個(gè)高度和直徑都是39毫米的圓柱體。據(jù)描述，這個(gè)圓柱體于1879年被送到法國賽夫勒的國際度量衡委員會(huì)。經(jīng)過拋光和修飾，這個(gè)圓筒的質(zhì)量與法國大革命時(shí)期的有關(guān)千克的定義相吻合。1889年，它被采納為千克的國際標(biāo)準(zhǔn)。

跟米原器一樣，千克原器也要進(jìn)行周期性的定檢，以確保質(zhì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定可靠。鉑銥合金千克原器具有較好的性能穩(wěn)定性，但是，實(shí)物基準(zhǔn)隨環(huán)境的影響變化較大，污染物、灰塵、水分及對其清洗都將對其造成不確定的變化。但問題是，以金屬定義這樣一個(gè)基本量不太可靠，因?yàn)榻饘俚馁|(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間逐漸改變。據(jù)考證，這個(gè)白金圓筒的質(zhì)量已悄悄流失了50微克（大約相當(dāng)于一粒沙子的重量）。

千克是最后一個(gè)通過人造物質(zhì)、而不是基本物理屬性定義的重要標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)家們聚集在英國皇家協(xié)會(huì)討論如何為“千克”找一個(gè)新標(biāo)桿。專家們經(jīng)過討論認(rèn)為，千克應(yīng)該和量子力學(xué)中一個(gè)基本的度量普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。通過一種叫作“功率天平”的手段，科學(xué)家可以將物體的質(zhì)量同移動(dòng)它所需要的電子能量對應(yīng)起來，這樣得出的結(jié)果才是最準(zhǔn)確的。鑒于以上原因，質(zhì)量千克將會(huì)被重新給予定義，至少有兩個(gè)重新定義千克的其他提議正在討論中。它們包括：1.用純硅原子球體取代鉑金和銥混合圓柱體；2.利用已知的“瓦特天平”裝置，并利用電磁能定義千克。

克拉的由來

度量衡單位的發(fā)展趨勢是從混亂到統(tǒng)一，許多單位漸漸被取代，但也有一些最早的單位沿用至今。現(xiàn)在鉆石的質(zhì)量單位克拉（carat）就是一例。

克拉這種計(jì)量單位，是由歐洲地中海邊的一種角豆樹的種子（carob）演化來的。這種樹開淡紅色的花，然后結(jié)出豆莢。在缺少精確稱量儀器的時(shí)代，人們認(rèn)為角豆樹豆莢里種子的質(zhì)量，每一顆都是一樣的。于是鉆石商人就利用這些種子作為稱量鉆石的砝碼，一顆種子的質(zhì)量就是l克拉。后來，克拉成為鉆石和一些貴重或細(xì)微物質(zhì)的計(jì)量單位。到1907年，國際上商定1克拉的質(zhì)量是200毫克。

編輯/姜雯endprint