大體可分為原始、經典和現代三個階段。
原始階段 以經驗和權利為主,大多利用人、動物或自然物體作為計量基準。象上述“布手知尺、掬手為升、取權定重、邁步算畝和滴水計時”等,相傳在大禹治水時,就使用了“準繩”和“規”“距”等計量器具,秦始皇統一度量衡這一史實大家都知道。古埃及的尺度是以人的胳膊到指尖的距離為依據的,稱之為“腕尺”(約46cm),英國的碼是亨利一世將其手臂向前平伸,從其鼻尖到嘴尖的距離(1yd=0.9144m);英尺是查理曼大帝的腳長(1ft=0.3038m)英寸是英王埃德加的手拇指關節的長度;而英畝則是兩牛同軛,一日翻耕土地的面積(1英畝=4050平方米)。
經典階段 一個以宏觀現象與人工實物為科學基礎的階段,標志是1875年簽定的《米制公約》。包括根據地球子午線1/4長度的一千萬之一建立了鉑銥合金制的米原器;根據一立方米水在在規定溫度下的質量建立了鉑銥合金制的千克原器;根據地球饒太陽公轉周期確定了時間(歷書時)單位秒等。
它們形成一種基于所謂自然不變的米制,并成為國際單位制的基礎。但是這些宏觀實物基準隨著時間的推移或地點的變動,其量值不可避免地受物理或化學性能緩慢變化的影響而發生飄移,從而影響了復現、保存,并限制了準確度的提高。早在1870年英國物理學家、數學家J.G.麥克斯韋就指出,長度、質量和時間的單位應當建立在原子波長、頻率、和原子質量中,而不是在運動著的星體或物體上。
現代階段 以量子理論為基礎,由宏觀實物基準過度到微觀量子基準。國際上以正式確立的量子基準有長度單位米基準、時間單位秒基準、電壓單位伏特基準和電阻單位歐姆基準。從經典理論來看,物資世界在做連續的、漸進的宏觀運動;而在微觀量子體系中,事物的發展是不連續的、跳躍的也是量子話的。由于原子的能級非常穩定,躍遷時輻射信號的周期自然也非常穩定,因此躍遷所對應的量值是固定不變的。這類微觀量子基準,包括1960年用氪86原子的特定能級躍遷所定義的米、1967年用銫133原子特定能級躍遷所定義的秒等,提高了SI基本單位實現的準確性、穩定性和可靠性。但是,它們仍與某種原子的特定量子躍遷過程有關,因而尚不具備普實性。最好的方案是用基本物理常量來定義計量單位。例如:1983年將米定義為光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內所行進的長度,既認為真空中光速作為一個定義值恒為299792458m/s(約30萬公里/秒);而長度事實上變成了時間(頻率)的導出量。這種定義通過不變的光速給出了空間 和時間的聯系,使新定義的米只依賴于目前測量不確定度最小(10-15量級)的頻率,從而更具準確性、穩定性、可靠性和普適性。
以上主要是從量的定義上劃分階段,從另一個角度來看,由于計量在古代是各國獨立產生,并作為民族文化和社會制度的一部分繼承和發展,直到19世紀,各國使用的計量單位及其進位制度、計量器具和管理措施等彼此差異甚大。計量學長期停留在記述各種計量單位和換算各種關系的階段上;計量管理工作都是各國、各地區各自為政。隨著工業和國際貿易、特別是物理學等實驗科學的發展,需要測量的量已從傳統的度量衡劇增至上百個。18~19世紀,歐美科學家開始創建一種以科學實驗為基礎、可在國際上通用的計量單位制。1875年《米制公約》的簽訂標志著各國計量制度趨向統一;1955年簽訂《國際法制計量組織公約》和1960年第11屆國際計量大會(CGPM)通過國際單位制,標志著各國計量制度基本統一和計量學的基本成熟。計量的發展趨勢主要沿著兩個方面:一是利用最新科技成果不斷完善國際單位制及其實驗基礎,使單位的定義及基準、標準建立在物理常量的穩固基礎上;二是推動全球計量體系的形成,逐步實現國際間測量與校準結果的相互承認,以適用貿易和經濟全球化進展的需要。
從冶金計量的角度考慮,計量與控制的結合將把冶金計量工作推向一個更廣闊的領域。 |
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