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人类对长度和距离的测量历史悠久,变化也是异常的丰富多彩。
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人类对长度和距离的测量历史悠久,变化也是异常的丰富多彩。

2025-05-23

法国国民议会大厦

之所以采用从赤道到北极十分之一米的长度单位,是基于这样的思考:15至16世纪,随着世界航海事业的迅速发展,一种与航海密切相关的长度单位非常流行,那就是海洋。一海里大约是地球大圆角度的一分钟。这对导航非常方便。只要测量星空与原始位置的差值,就可以直接得到距离。新的长度单位也应完全满足航海的要求,因此大圆的1/4,即赤道到北极长度的1/10百万分之一,被视为1米。当时,委员会原计划将直角度从90°改为100°,但后者未能实现。如果计划最终实现,沿大圆1°航行100公里将非常方便。

接下来,我们需要测量地球子午线的长度。天文学家约瑟夫·德·兰布尔和安德烈·迈尚毅然接受了这一重要任务。他们同意从巴黎出发,背着背行走,完成从敦刻尔克到巴黎再到巴塞罗那的地球子午线测量。博学的德·兰布尔从巴黎北上,细致的麦尚从巴黎南下。一旦他们到达各自的目的地敦刻尔克和巴塞罗那,他们就开始测量他们之间的距离。最后,根据实测数据,他们算出了一米的长度。然而,当时法国正处于资产阶级革命的狂潮之中,社会一片混乱。这两位科学家经常冒着被追捕的危险。在巴黎郊区,德兰布尔多次避开狂热分子的追击,几次差点被送上断头台。在法国和西班牙的激战中,迈尚作为法国间谍被拘留。

经过七年的跋涉,德·兰布尔和迈尚终于在法国南部的卡尔卡松要塞相遇。当他们带着调查数据回到巴黎时,拿破仑·波拿巴已经成为法国的新统治者,法国政局已经恢复稳定。巴黎人民像英雄一样欢迎他们。提倡科学的拿破仑也对他们给予了高度评价:“胜利就像过眼云烟,但这一成就将永垂不朽。”

巴黎国际科学委员会还用纯铂制作了一根一米长的金属棒,以纪念两位科学家的探索活动。

1812年,法国颁布了“米制”,并于1837年起在全国推行,使米制首先在法国生根发芽。

1875年,国际度量衡理事会在巴黎召开会议。法、德、美、俄等17国政府代表共同签署了《公制公约》,同意成立国际度量衡局,承认公制是法国大革命诞生的最大科学事业。“米”被确定为国际标准长度单位,一直沿用至今。

从“档案米”到光波米

不幸的是,从事测量工作的天文学家犯了一个小错误,导致1米的长度比规定长度短了0.02毫米。后来,通过精确的卫星测量,人们发现从地球极点到赤道的经度为100022.9万米,而不是梅尚测量的1000万米。也就是说,1米的标准长度单位比规定长度短0.02毫米。著名科普作家肯·奥尔德曾在《万物衡》杂志上披露,当麦尚回到巴黎时,他发现自己的测量有误,因为他在同一个地方的两个测量不符。这个错误造成的内疚让梅尚日夜不安,精神濒临崩溃。为了改正错误,他又到野外测量,在测量的途中死于疟疾。

1799年,法国科学家根据测量结果制作了一根横截面为3.5mm×25mm的铂金棒,棒两端的距离定为1m,交法国档案馆保管。因此,这种铂金棒也被称为“文件米”。这是“米”的最早定义。

由于“档案米”变形严重,1872年放弃了“档案米”的定义,采用铂铱合金(90%铂和10%铱)作为长度单位。原始米器是根据“档案米”的长度制作的。当时共制作了31件,横截面大致呈X形。“档案米”的长度被刻在尺子的凹槽(中性面)上,两条线的宽度为6-8微米。

1889年,在第一届国际计量大会上,国际计量局认证的31米中最接近0℃时“档案米”第6号米原器被选为国际米样机。作为世界上最权威的长度基准,它被保存在巴黎国际计量局的地下室,其余的标尺作为辅助标尺分发给参与国。按惯例,当环境气温为0℃时,原表两端与中线的距离为1米。

1927年,第七届国际计量大会对计量的定义作了严格的规定。除温度要求外,还提出原仪表必须保持在1标准大气压下,并对其放置方法作了具体规定。

但是,以米为客观标准存在着材料变形、测量精度低(仅0.1微米)、难以满足计量等精密测量的需要等缺点。另外,如果原来的米器损坏,就没有复制的依据。特别是复制品很难保证与原米具完全一致,这给使用国带来了困难。因此,以自然量价值为单位基准的思想一直是人们所向往的。

20世纪50年代,随着同位素光谱光源的发展,发现了宽窄的氪86同位素谱线。随着干涉技术的成功,人们终于找到了一种不易破坏的自然标准,即以光波长为单位的自然标准。

1960年,第十一届国际计量大会对米的定义作了如下修改:“米的长度等于氪86原子2p10和5d1能级跃迁真空辐射波长的1650763.73倍”,这一自然基准性能稳定,不存在变形问题,是一种理想的测量方法易于复制,精度高。1963年,我国建立了氪86同位素长度基准。仪表定义变更后,原仪表仍保留在国际计量局。

“火星气候探测者”号

随着科学技术的进步,自20世纪70年代以来,对时间和光速的测量已经达到了非常高的精度。因此,在1983年10月于巴黎举行的第17届国际计量大会上,通过了一个新的米的定义:“米是光在真空中以1/299792458秒的时间间隔行进的长度。”

用新的米定义取代了基于谱线波长的米定义。

从“自家米”到“国际米”

采用国际单位可以使我国更快地与国际科学界、工商界接轨,是一个国家对外开放的标志。

1908年,清政府制定了该制度的规模和实施条例。国际权威局应邀生产铂铱合金和镍钢合金原辅材料,次年生产并运回中国。1928年,颁布了《计量衡算法》,规定以“万国公制”为标准体系,并临时以“市场制”为过渡辅助体系,1公尺为3市尺,1公升为1市升,1 公斤为2市斤。城市体制的改革适应了人们的生活习惯,与公制的转换很简单,逐渐为公众所接受。1949年以后,市政系统在全国范围内普及。

1984年,国务院发布命令,根据国际单位制和一些非国际单位,采用中华人民共和国法定单位(以下简称法定单位)。当时,考虑到公众的习惯,中药方剂的计量仍保留在市场上;1979年1月1日,中药方剂计量开始采用公制。自1991年1月1日起,法定单位制成为我国唯一的法定计量单位。

到目前为止,世界上224个国家和地区,大多采用国际单位制,只有美国、缅甸和利比里亚仍坚持采用英制,拒绝使用公制。后两个国家可能是由于习惯问题,而美国拒绝它作为科技、工业和教育的领导者。

不过,美国为此也付出了代价,除了大量单位转换给教学和交流带来不便外,也造成了巨大损失。1999年,美国宇航局的“火星气候探测者”号,按照科学家的预测,它距离火星比科学家预测的近了60英里(96千米)左右。。这不是因为时空关系的问题,而是火星气候探测者”号研制过程中两个测量单位之间的矛盾。美国宇航局的科学家在计算中使用公制单位(如米和厘米),但提供导航软件的洛克希德马丁公司的工程师却使用了英制单位,如英尺、英寸等。因此,由于测量单位的失误,耗资8000万英镑、的火星气候探测者”号最终还是“葬身”在了火星的表面。

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