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?yōu)楣罍y(cè)長(zhǎng)度或距離，習(xí)慣用手比一比或跨步量一量。據(jù)中國(guó)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(shí)際上就是長(zhǎng)度計(jì)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(tǒng)一。
    我們的祖先早在漢朝就利用自然規(guī)律建立了度量衡標(biāo)準(zhǔn)，它們?cè)谠砩吓c米的現(xiàn)代定義相近，而在時(shí)間上卻比西方早約二千年，令世人驚嘆不已。
    米(m)是國(guó)際單位制中表示長(zhǎng)度的基本單位。提高米的測(cè)量準(zhǔn)確度不僅對(duì)于物理學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有重要意義，而且也促進(jìn)了大地測(cè)量、空間技術(shù)、納米技術(shù)等的發(fā)展和進(jìn)步。
    米的最初定義是由1791年法國(guó)國(guó)民代表大會(huì)確定的，一米等于地球子午線1/4長(zhǎng)度的一千萬(wàn)分之一。“米”來(lái)源于古希臘文，意為度量。當(dāng)時(shí)認(rèn)為子午線長(zhǎng)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(jù)度量子午線弧長(zhǎng)的結(jié)果，用燒結(jié)鉑制成了體現(xiàn)端度基準(zhǔn)的米原器并保存在巴黎檔案局，這就是最早的“檔案米”(后來(lái)證明它的實(shí)際值比定義值短約0.2毫米)。
    國(guó)際計(jì)量局(BIPM)據(jù)此復(fù)制了30個(gè)鉑(90%)銥(10%)合金制的X型線紋基準(zhǔn)米原器。1889年經(jīng)第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CIPM)批準(zhǔn)，從中選出了一個(gè)作為國(guó)際米原器，留出數(shù)個(gè)作為工作原器，而把其余的分發(fā)給米制公約成員國(guó)作為國(guó)家基準(zhǔn)。這時(shí)的米被定義為，國(guó)際計(jì)量局保存的國(guó)際米原器上，兩端刻劃的中間刻線的軸線在00C時(shí)的距離。此定義實(shí)際上是由后來(lái)第7屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，1927年，認(rèn)定的?？梢哉f(shuō)這是米定義的第一次變遷。
    國(guó)際米原器的準(zhǔn)確度為0.1微米，即千萬(wàn)分之一(1×10-7)。到20世紀(jì)中葉，這個(gè)準(zhǔn)確度已無(wú)法滿足精密機(jī)械制造業(yè)和計(jì)量學(xué)發(fā)展的需要。于是有人提出用原子輻射波長(zhǎng)值取而代之的建議，因?yàn)樗且环N固定不變的自然基準(zhǔn)。不久發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)值是個(gè)“定值”。1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定廢除國(guó)際米原器，將米定義為，氪-86原子的2P10和 5d5能級(jí)之間躍過(guò)所對(duì)應(yīng)輻射在真空中波長(zhǎng)的1650763.73倍。這樣米的準(zhǔn)確度達(dá)到十億分之四(4×10-9)，它意味著在1000公里的長(zhǎng)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(shí)，一種方向性好、亮度高、單色性強(qiáng)(相干能力強(qiáng))的激光問(wèn)世，其特性優(yōu)于任何已有的光源。隨著穩(wěn)頻和伺服技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，又使激光器輸出頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性提高到百億分之一(1×10-10)，而后測(cè)得的真空中光速值為299792458米/秒，其準(zhǔn)確度也比過(guò)去提高了100倍。
    在這種背景下，1975年第15屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)提出，米定義可以通過(guò)光速表示，并認(rèn)為光速值保持不變對(duì)天文學(xué)和大地測(cè)量具有重要意義。這就是說(shuō)，光速值不再是可測(cè)的量，而是固定不變的常數(shù)，長(zhǎng)度則可以建立在光速為常數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)時(shí)間或頻率確定。1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將米定義為，光在真空中，在1/299792458秒時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)路徑的長(zhǎng)度。這是米定義的第三次變遷。
    新定義的米，可以通過(guò)時(shí)間法、頻率法和輻射法來(lái)復(fù)現(xiàn)。時(shí)間法利用光行進(jìn)的時(shí)間來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度，主要用于天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)。頻率法利用光的頻率來(lái)測(cè)量其真空波長(zhǎng)，故在準(zhǔn)確度方面潛力很大，但在實(shí)際應(yīng)用中尚需建立激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)。在輻射法方面，1993年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦了8種穩(wěn)頻激光器輻射的標(biāo)準(zhǔn)譜線頻率(波長(zhǎng))值，作為復(fù)現(xiàn)米定義的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
    由于目前還沒有一種光電接收器能夠響應(yīng)可見光頻率，所以尚需分波段研制多個(gè)穩(wěn)頻激光器作為基準(zhǔn)。穩(wěn)頻激光器輻射頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度仍在不斷改進(jìn)中，比如目前常用的碘吸收633納米氦氖穩(wěn)頻激光器的復(fù)現(xiàn)性，已在1×10-10的基礎(chǔ)上又提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而，在光頻范圍內(nèi)米有可能建立頻率標(biāo)準(zhǔn)，這無(wú)疑將促進(jìn)原子物理學(xué)、分子物理及高分辨率激光光譜學(xué)的發(fā)展。兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)米定義的變遷，既反映了科技進(jìn)步對(duì)計(jì)量學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用，也反映了計(jì)量學(xué)發(fā)展對(duì)科技進(jìn)步的反作用。