一米到底有多長

羅鋒

在中國古代與近代，我們使用的計量單位里是沒有“米”這個概念的，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量單位制度，在17、18世紀，人們認為計量單位和計量制度比較混亂，影響國際貿易、經濟發展和科技交流，迫切希望科學家能研究出一種新的、通用的、適合所有國家的計量單位和計量制度。

米的由來

1675年，意大利科學家提托·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，英國哲學家和教士約翰·威爾金斯提出需要一個十進制標準的長度單位系統對國際通用長度計量作進一步細化和統一。法國大革命勝利后，國民公會令法國科學院組織一個委員會來制定一個標準的度量衡制度。委員會提出了一套新的十進制度量衡制度。當時，科學家認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的一根標準米尺。這根米尺就成為了世界上最早的米原器，現存于法國檔案館。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，后演變為meter，中文譯為“米突”或“米”。1791年，該方案獲法國國會批準。

米的發展

為了進一步統一世界的計量制度，18 69年法國政府向一些國家發出邀請，希望他們派代表到巴黎召開“國際米制委員會”會議。在1872年8月開會時，共有24個國家派出了代表，會議決定以巴黎檔案局所保存的米原器為基準，復制一些新原器發給與會國。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個國家的政府代表和科學家參加“米制外交會議”，并于當年5月20日由17個國家的代表簽署了《米制公約》，為米制的傳播和發展奠定了國際基礎。當時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系。1889年，在第一次國際計量大會（CGPM）上，把經國際計量局鑒定的第6號米原器選為國際米原器，并作為世界上最權威的長度基準器，其余的米原器作為副尺分發給與會各國，成為各國的度量基準，并對“米”作了定義：0℃時，巴黎國際計量局的截面為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。

隨著米制的廣泛應用，逐漸出現了一些問題。實際上，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，在復現量值時會有一定的誤差。受刻線寬度的影響，科學家們對米原器的準確度（只達0. 2u由感到不滿意。而且這根米原器太嬌弱，為保持準確度，必須終年放在恒溫房里，不能讓陽光直射。如果外界變化一個大氣壓，它就會伸縮萬分之一毫米：加上鉑銥合金會受熱脹冷縮的影響，很難滿足精密零件的測量;此外.由于它是金屬制造，長時間存放就會被腐蝕、損壞，再造一個和原來一模一樣的米尺幾乎是不可能的。基于種種原因，科學家們不得不尋求新的“米”的定義方法。

1880--1882年，美籍德國科學家阿爾伯·邁克爾遜在柏林大學研制了一臺鏡式干涉儀。經過不斷地改進和完善，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，測量準確度高達2.5X l0-7m，比法國檔案局保存的測量器的準確度提高了100倍。干涉儀的出現使長度計量邁進了一大步，有效地促進了計量科學的發展。

隨著科學研究的深入，到20世紀50年代末，出現了一種氪86同位素光源，它在規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”。只要是在規定的條件下，可任意復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，在第十一屆國際計量大會（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，性能穩定，沒有變形問題，容易復現，且具有很高的復現精度，相對誤差不超過4X 10-。，相當于在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。這種以自然基準代替實物基準的做法，也是計量科學的一次革命。

米的飛躍

自然基準的建立幾乎要實現科學家們長期以來所追求的目標，但是用光波波長定義的“米”雖具有穩定、不受環境影響，且容易復現的優勢，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60年代，一種光的方向性好、亮度高、單色性強的“氣體激光”出現了，它比氪86光源優越許多倍。隨著穩頻和伺服技術的發展與應用，又使激光器輸出頻率的穩定性和復現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，其準確度比氪（Kr）橙線又提高了100倍。1979年，經“米定義咨詢委員會”研究，正式提出了這個米定義的新概念，并得到1983年召開的第16屆國際計量大會的批準。米的新定義為：米是光在真空中1/299792458秒時間間隔內所行進路徑的長度。這便是米的第三次變遷。該定義的優點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確度范圍內復現米，適用范圍很廣。所以，它被認為是米定義的一次質的飛躍。

國際米原器

歷經百年，米的定義由宏觀自然基準到實物基準，又發展為微觀自然基準，并且正繼續向著不確定度更小的微觀自然基準發展。