米的定義及其變遷

米的定義及其變遷

施昌彥

    在日常生活中人們為估測長度或距離，習慣用手比一比或跨步量一量。據中國古書記載，“布指知寸，布手知尺，舒肘知尋，婦手為咫，人身為丈”，“舉足為跬，倍跬為步，邁步為畝”。這里的寸、尺、尋、咫、丈、跬、步等，實際上就是長度計量單位。眾多的單位直到公元前221年，秦始皇頒布“一法度衡石丈尺”命令和詔書后才得以統一。
    我們的祖先早在漢朝就利用自然規律建立了度量衡標準，它們在原理上與米的現代定義相近，而在時間上卻比西方早約二千年，令世人驚嘆不已。
    米(m)是國際單位制中表示長度的基本單位。提高米的測量準確度不僅對于物理學、天文學等基礎學科有重要意義，而且也促進了大地測量、空間技術、納米技術等的發展和進步。
    米的最初定義是由1791年法國國民代表大會確定的，一米等于地球子午線1/4長度的一千萬分之一。“米”來源于古希臘文，意為度量。當時認為子午線長度是固定不變的，所以米及由米確定的千克和升也固定不變，從而形成一種基于自然不變的“米制”。
    1799年，根據度量子午線弧長的結果，用燒結鉑制成了體現端度基準的米原器并保存在巴黎檔案局，這就是最早的“檔案米”(后來證明它的實際值比定義值短約0.2毫米)。
    國際計量局(BIPM)據此復制了30個鉑(90%)銥(10%)合金制的X型線紋基準米原器。1889年經第一屆國際計量大會(CIPM)批準，從中選出了一個作為國際米原器，留出數個作為工作原器，而把其余的分發給米制公約成員國作為國家基準。這時的米被定義為，國際計量局保存的國際米原器上，兩端刻劃的中間刻線的軸線在00C時的距離。此定義實際上是由后來第7屆國際計量大會，1927年，認定的。可以說這是米定義的第一次變遷。
    國際米原器的準確度為0.1微米，即千萬分之一(1×10-7)。到20世紀中葉，這個準確度已無法滿足精密機械制造業和計量學發展的需要。于是有人提出用原子輻射波長值取而代之的建議，因為它是一種固定不變的自然基準。不久發現新研制的氪-86低壓氣體放電燈，在一定條件下輻射出的橙黃光譜的真空波長值是個“定值”。1960年第11屆國際計量大會決定廢除國際米原器，將米定義為，氪-86原子的2P10和 5d5能級之間躍過所對應輻射在真空中波長的1650763.73倍。這樣米的準確度達到十億分之四(4×10-9)，它意味著在1000公里的長度上誤差僅為4毫米。這是米定義的第二次變遷。
    幾乎與此同時，一種方向性好、亮度高、單色性強(相干能力強)的激光問世，其特性優于任何已有的光源。隨著穩頻和伺服技術的發展和應用，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(1×10-10)，而后測得的真空中光速值為299792458米/秒，其準確度也比過去提高了100倍。
    在這種背景下，1975年第15屆國際計量大會提出，米定義可以通過光速表示，并認為光速值保持不變對天文學和大地測量具有重要意義。這就是說，光速值不再是可測的量，而是固定不變的常數，長度則可以建立在光速為常數的基礎上，通過時間或頻率確定。1983年第17屆國際計量大會將米定義為，光在真空中，在1/299792458秒時間間隔內所行進路徑的長度。這是米定義的第三次變遷。
    新定義的米，可以通過時間法、頻率法和輻射法來復現。時間法利用光行進的時間來測量長度，主要用于天文學和大地測量學。頻率法利用光的頻率來測量其真空波長，故在準確度方面潛力很大，但在實際應用中尚需建立激光波長基準。在輻射法方面，1993年國際計量委員會推薦了8種穩頻激光器輻射的標準譜線頻率(波長)值，作為復現米定義的國際標準。
    由于目前還沒有一種光電接收器能夠響應可見光頻率，所以尚需分波段研制多個穩頻激光器作為基準。穩頻激光器輻射頻率的測量準確度仍在不斷改進中，比如目前常用的碘吸收633納米氦氖穩頻激光器的復現性，已在1×10-10的基礎上又提高了約一個數量級。因而，在光頻范圍內米有可能建立頻率標準，這無疑將促進原子物理學、分子物理及高分辨率激光光譜學的發展。兩個世紀以來米定義的變遷，既反映了科技進步對計量學發展的推動作用，也反映了計量學發展對科技進步的反作用。