計量基準經(jīng)歷了四個發(fā)展階段

山西省能源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 劉全蘭

計量基準經(jīng)歷了四個發(fā)展階段

山西省能源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 劉全蘭

計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動。計量基準、標準是用以保證測量結(jié)果統(tǒng)一和準確的標準物質(zhì)、標準方法和標準條件，從計量的發(fā)展歷史看，計量基準經(jīng)歷了4個發(fā)展階段。

第1個階段是以自然物為計量基準

最初始的自然物是人體的器官，即用人自身的手足和手足的動作作為度量的標準。《孔子家語》說：“夫布指知寸，布手知尺，舒肘知尋(八尺)，斯不遠之則也。”意思就是說中指中節(jié)上一橫紋叫作一寸，拇指同中指一叉相距叫作一尺，兩臂伸長得八尺，叫作一尋。

在我國有歷史記載并比較有名的是大禹“以身為度”的故事。相傳，大禹在治理黃河水患時，在疏通水道，引水入海的過程中需要對山川水勢進行測量。規(guī)矩準繩就是當時最常用的測量工具。那么如何保證治水工程中規(guī)矩準繩計量標準的統(tǒng)一呢？《史記》記載：（禹）“身為度，稱以出”。意思是大禹用自己的身體和體重定出長度和重量的標準，把他復制到木棍、矩尺和準繩上，測量長度、重量時就可以直接讀數(shù)和計算了，治水工程即使在不同地區(qū)也可以復現(xiàn)和傳遞這個量了。

其實，在很多國家、很多地區(qū)，都有“以身為度”的歷史記載。如英國在12世紀初仍以英王亨利一世（1100-1135年）鼻尖至指尖的距離定為一碼，以自己的腳長來確定“英尺”的長度，“英寸”的標準則是英國國王埃德加（959-975年）的拇指關節(jié)長度。

第2個階段是以人為物為計量基準

隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以人體等自然物為計量標準就難以滿足經(jīng)濟社會生活的需要了，于是就開始人為制造一些計量標準物。

我國計量史上以人為物為標準器的經(jīng)典作品是“新莽嘉量”。

在我國歷史中東漢與西漢之間有一個短命王朝“新”，它是東漢權(quán)臣王莽創(chuàng)立的，王莽在篡奪東漢政權(quán)時，為了滿足其托古改制的政治需要，征集當時學識淵博通曉天文樂律的一百多名學者，在著名律歷學家劉歆的主持下，完成了中國歷史中規(guī)模最大的一次度量衡制度改革。并監(jiān)制了一批度量衡標準器，其中最著名的就是新莽嘉量。目前，還保存在臺北故宮博物院。

新莽嘉量是一個五量合一的標準量器，其主體是斛量，另外還有斗、升、龠、合諸量。在嘉量的5個單位量器上，每一個都刻有銘文，詳細記載了該量的形制、規(guī)格、容積以及與其他量之間的換算關系。

第3個階段是以經(jīng)典物理學為基礎建立的宏觀實物為計量基準

隨著科學技術(shù)的進步和社會生產(chǎn)力的發(fā)展，計量基準已開始擺脫利用人體、自然物體等的原始狀態(tài)，進入了以科學為基礎的發(fā)展階段。

1685年，英國物理學家牛頓完成了萬有引力定律和機械運動三定律的論證和描述，建立起完整的經(jīng)典力學體系。經(jīng)典物理學為近代計量學的創(chuàng)建和測量技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。在經(jīng)典物理學的基礎上，人們開始探索建立計量新的基標準。1795年4月7日，法國國民議會頒布新的度量衡制度：米的長度以自北極到赤道段經(jīng)過巴黎的子午線的一千萬分之一為標準，質(zhì)量單位以1立方分米溫度為攝氏4度的純水在真空中的質(zhì)量。并由此鑄出了米和千克原器。此外，如時間：秒，電流：安[培]，熱力學：溫度開[爾文]，物質(zhì)量：摩[爾]，發(fā)光強度：坎[德拉] 等計量標準也在經(jīng)典物理學理論指導下得到了建立和廣泛應用。

19世紀下半葉到20世紀上半葉，各國根據(jù)經(jīng)典物理學的原理，用某種特別穩(wěn)定的實物建立起了實物計量基準，使基本單位的量值由實物計量基準復現(xiàn)和保存。

第4個階段是以量子物理學為基礎建立的微觀量子基準

為了解決實物基準不易保存且準確度存在一定局限的問題，20世紀下半葉以來，計量科學研究者與物理學研究者緊密合作，使計量單位的定義逐步拋棄實物基準，更新在以量子物理學為基礎的基本物理常數(shù)上。從目前的物理學知識來看，這些基本物理常數(shù)不隨時間和地點的變化而變化，原子的量子特性都可以在任何時間、任何地點用原理相同的裝置重復產(chǎn)生，從而完全解決了實物基準存在的問題。

目前，現(xiàn)行國際單位制(SI)的7個計量基本單位中除了千克(kg)還是以實物作為基準外，其他6個：米(m)、秒(s)、安培(A)、開爾文(K)、坎德拉(cd)和摩爾(mol)都已經(jīng)利用以量子物理學為基礎的基本物理常量和原子的物理特性作了更新。例如1983年10月第17屆國際計量大會通過了米的新定義：“米是光在真空中1／299792458秒的時間間隔內(nèi)所經(jīng)路程的長度”。