度量衡趣話

林波

俗話說：沒有規矩，不成方圓。當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，我們也許不會想到，人類為了找到一個適用的度量衡單位，費了多少周折。

“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一標準。最初是以人體作為標準，從3 000多年前古埃及的紙草書中，發現了人前臂的圖形，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，撒克遜王朝亨利一世規定，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，曾用自己的身體長度作為長度標準，進行治水工程的測量。唐太宗李世民規定，以他的雙步，也就是左右腳各走一步作為長度單位，叫作步，并規定一步為五尺，三百步為一里。后來又規定把人手中指當中的一節定為1寸。

到了18世紀，人們開始感到用人體作為長度標準缺點很多，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，由法國科學家組成的特別委員會，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”一詞給這個單位命名，后來演變為“meter”，中文叫“米”。

為了制造出標準的“1米”模型，法國天文學家用了7年時間，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，且存在變形現象，后來又對1米的定義進行了修訂，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屆國際計量大會上又通過了米的新定義：“1/299 792 458秒的時間間隔內光在真空中所經路程的長度。”這個標準使用至今。

“秒”的由來

最早被人們留意到可以用來顯示時間的，是太陽和月亮的起落。在中國，遠古時代就有了用太陽陰影計時的日晷，歐洲也于公元前1000年左右發明了日晷。古羅馬發生過一件有意思的小事。公元前263年，執政官瓦萊里奧·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。結果，在長達1世紀之久的時期內，古羅馬人都生活在一個弄錯了的時間里。

日晷儀被使用了很長一段時間，但它不是很準確，并且在晚上和多云的天氣就不好用了。因此后來就產生了早期的漏壺計。后來，由于發條系統的使用，開始有了機械表，并且，機械表變得越來越嚴密和精確。到16世紀，德國人比特·海倫發明了袖珍表。再后來，由于伽利略對鐘擺的研究，使得時鐘在17世紀得到再次改進。1642年，荷蘭人克里斯蒂·安惠根斯利用鐘擺原理發明了一種每天只誤差1分鐘的鐘表。現在的石英表已經是相當的準確了：大約每3億年才會誤差1秒鐘。

最早把時間按照相同的間隔進行劃分的是蘇美爾人，蘇美爾人創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，1小時分為60分鐘。他們還把1年分為了12個月，每個月分為30天。

在人類觀察到的自然現象中，以天空中發生的現象最為明顯，也最有規律，所以很自然的，時間的量度便以地球自轉的周期作為基準，這就是所謂的太陽日。1秒=1/86 400平均太陽日。但是由于地球自轉并不均勻也不穩定，1960年國際計量大會確認，把時間基準改為以地球圍繞太陽公轉為依據，即：把秒定義為在1900年地球繞太陽沿軌道運動一周所需時間的1/31 556 925.974 7。這一數據之所以有如此之高的精確度，是因為這個結果是通過為期數年的一系列天文觀測獲得的。

然而根據這個定義很難對“秒”本身進行直接比較。正好在這期間，時間和頻率的測量技術有了很大發展。1967年第13屆國際計量大會重新規定了時間單位的定義：“秒是銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9 192 631 770個周期的持續時間。”

科學家打算重新定義“千克”

對輕重的衡量是在對長短衡量標準出現之后開始的，衡量單位相當復雜。比如中國的戰國時期，有石、斤、兩、銖、鎰、鈞等諸多單位，而且秦、楚、魏等國的換算標準還各不相同。其中，1銖在趙國相當于0.65克，在秦國則相當于0.69克。

現在質量的國際標準單位是千克，它的定義是4℃時裝在棱為10厘米立方體內的純水的質量。千克的鉑銥合金原器保存在巴黎，是一個高度和直徑都是39毫米的圓柱體。據描述，這個圓柱體于1879年被送到法國賽夫勒的國際度量衡委員會。經過拋光和修飾，這個圓筒的質量與法國大革命時期的有關千克的定義相吻合。1889年，它被采納為千克的國際標準。

跟米原器一樣，千克原器也要進行周期性的定檢，以確保質量基準的穩定可靠。鉑銥合金千克原器具有較好的性能穩定性，但是，實物基準隨環境的影響變化較大，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基本量不太可靠，因為金屬的質量會隨著時間逐漸改變。據考證，這個白金圓筒的質量已悄悄流失了50微克（大約相當于一粒沙子的重量）。

千克是最后一個通過人造物質、而不是基本物理屬性定義的重要標準。科學家們聚集在英國皇家協會討論如何為“千克”找一個新標桿。專家們經過討論認為，千克應該和量子力學中一個基本的度量普朗克常數聯系起來。通過一種叫作“功率天平”的手段，科學家可以將物體的質量同移動它所需要的電子能量對應起來，這樣得出的結果才是最準確的。鑒于以上原因，質量千克將會被重新給予定義，至少有兩個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

度量衡單位的發展趨勢是從混亂到統一，許多單位漸漸被取代，但也有一些最早的單位沿用至今。現在鉆石的質量單位克拉（carat）就是一例。

克拉這種計量單位，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，然后結出豆莢。在缺少精確稱量儀器的時代，人們認為角豆樹豆莢里種子的質量，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，一顆種子的質量就是l克拉。后來，克拉成為鉆石和一些貴重或細微物質的計量單位。到1907年，國際上商定1克拉的質量是200毫克。

編輯/姜雯endprint