米的历史

很久前翻译了一篇单位“米”的历史沿革放在当时的blog里,但是发现现在还是搜不到相关资料,便又校对了一遍重新贴出来,也算凑数了。

译自 http://www.sizes.com/units/meter.htm

米是国际单位制中长度的单位,是七个基本单位之一。1983年被定义为光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离。(第17届国际计量大会第一号决议)

由于我们已经事先定义光速精确值为299,792,458米每秒,米的这个定义使得它的长度只依赖于一秒的持续时间。现在,光在真空中两点间传播的时间长短不再影响光的速度,而是决定着两点间的距离!

1、米的历史:

在17世纪80年代,法国的度量衡一团糟,有几十个单位,其中每一个又有几十个甚至数百个地方性标准。没有其它哪个国家由于经济工业化和计量系统发展的不平衡而出现如此多的问题。早在法国大革命之前,就有政治家呼吁改革度量衡。而且,按照当时流行的卢梭精神,单位应该是在某种程度上“自然”的。

2、秒摆:

Jean Picard, Olaus Rømer 和其它天文学家曾要求将长度单位定义为摆动周期为一秒的摆锤的长度(摆锤的一个周期是它摆起又落回到原位的时间)当时人们已经知道同一个摆锤在不同的地方会有不同的摆动周期,所以这样的一个定义需要为标准摆锤指定一个特定地点。

在1790年当时Autun的主教Talleyrand,向国民委员会递交了一份关于法国度量衡现状的报告,他在该报告中建议以巴黎所在纬度——北纬45度处的秒摆的长度作为新的长度单位他还建议巴黎的法国科学院联合伦敦的英国皇家科学院一起定义一个新的单位。国民委员会、还有随后的路易十六都支持这个提案,但是后来却不了了之。

十七世纪九十年代末法国科学院把这个问题交给有史以来最杰出的一个科学委员会来处理。该委员会由拉格朗日、拉普拉斯、Borda、蒙日、Condorcet.等人组成。在科学委员会1791年3月19日提交给科学院的报告中,他们建议放弃秒摆而重新定义一个新单位:以赤道与极点的海平面距离的千万分之一为一米。


3、地球经线:

从计量学的角度来看,以地球经线长度作为长度标准毫无意义。因为任何两次经度测量的偏差都会大大超过单位所需要的精度。而且这个定义也不像航海学中的海里,或者天文学中的长度单位那样与应用有特别联系。但是这种将基本单位定义为地球大小的一部分的想法符合启蒙思想所提倡的单位的自然性,就像现在一部分消费者所要求的食品只应含有天然成分一样。当然,采用这个定义还有其他原因。

18世纪的子午线测量工程就像我们今天的空间计划或者大型粒子加速器一样浩大。他们以此挑战当时的科技极限并检验新理论的预言——牛顿的追随者们认为地球不是正球形。此类工程的卓越程度关系着民族的骄傲,至少自然哲学家们是这么认为的。作为委员会的成员之一的Borda就做了一个具有极高精度的刻度盘以满足测量工作对角度精度的需要。(他这个刻度盘是以一个新的单位”grade(弧度)”来划分的,而不是通常使用的度,他戏称这个新单位是巴比伦制的)

国民委员会于1791年3月26日通过了这一提议,并开始筹备测量工作。在测量结果出来之前,使用“临时米”以代替饱受批评的“英尺”。

4、子午线测量:
floating

显然当时还无法测出从北极到赤道整个90度的经线长度,因为还没有人去过北极。但是如果可以测出子午线上有代表性的一段的长度,其余部分自然可以算出。测量的两个端点应当在海平面上,而且要在极点到赤道的经线的中部附近。地球上刚好有这样一个符合条件的位置,从敦刻尔克到巴塞罗那,跨越了从北极到赤道的经线距离的1/10。这一段距离几乎全在法国境内,法国人没有忽略这个有利条件,甚至Thomas Jefferson.(汤姆斯.杰佛逊)这样的没有偏见的观测者也这么认为。

调查的任务交给了P. F. A. Méchain 和 J. B. J. Delambre。在1792年夏天,Delambre从敦刻尔克的海滨向南开始了他的行程,同时Méchain也从地中海向北出发。他们打算在巴黎南部300公里远的Rodez会合。Méchain的那部分路程比较短,但是比较困难,因为要翻越隔开法国和西班牙的比利牛斯山。九月份法兰西第一共和国成立了。

法国大革命进行得如火如荼。在短短几个月间先后同英国、澳大利亚、普鲁士、荷兰以及西班牙开战。路易十六被斩首,巴黎的暴民残杀各界人士。恐怖行为随处可见。在这样的气氛下测量员们被有计划的逮捕。要知道他们测量杆上的旗帜是白色的——保皇党的颜色。而且他们来自巴黎,自称只是在测量敦刻尔克与巴塞罗那间的距离,在战争期间这个理由听起来实在太假了以致没有哪个间谍会使用。

有一次Delambre被抓住了,他被强迫按照共和党的方式在开赴战场的志愿者前为自己辩解。他的三角学讲座并没能打动军队,但还是被一个官员以保护性拘禁的方式从暴民手中解救出来,而且最终在国民议会的命令下被释放。

1793年8月8日,国民议会解散了作为非共和国机构的科学院。但国家安全委员会同样决心废除封建计量制度,他们需要学者们的帮助来实现这一目标。因此它说服了国民议会以原有的科学院成员建立一个新的独立的临时性委员会。十一月拉瓦锡被捕,科学委员会要求将其释放,作为回应,国家安全委员会开除了5个科学委员会成员,Delambre名列其中。科学委员会认清了形势,开始投入到对旧计量制度的革命性批判的工作中。Delambre由于担心他们会中止整个子午线测量计划而接受了“临时米”。

但是战争需要地图。一个雅各宾派军用制图师负责地图的制作工作。由于需要专业人员,他将Delambre和Méchain带回了巴黎(Méchain先前已经逃到了意大利的热那亚,差一点被海盗捉住)

1795年4月7日一道建立新计量名称的命令(至今仍在使用的米、升、克)使科学委员会重新开始运转(除了一年前被斩首的拉瓦锡),测量计划也被要求重新开始。

Delambre在1797年结束了他的那一部分测量任务。但是Méchain还没有[原文疑少not]来到Rodez。入冬时他病倒了,在给同事的信中他是这样写的“我可以牺牲一切,放弃一切,但决不会在测量任务完成前回来。”测量工作因此耽搁了下来。不过Méchain恢复之后继续他的工作,于1798年9月抵达Rodez。

这时只测量了从敦刻尔克与巴塞罗那所构成的角,边还不知道。如果知道了这个三角形的任何一边,其余各边就可以算出,进而可以得出子午线的长度。当Méchain在南部测量的时候,Delambre花了33天用一个特殊的标尺测得了一条基线的长度。

在1798年11月28日法国召开了一次由盟国及附属国的专家参加的国际会议。组委会设立了一个由四个人组成的委员会,每一个委员根据Delambre和Méchain的测量数据(此外还需要关于地球形状的假定)分别独立计算米的长度。他们的计算结果一致。米比临时米要短0.144 lignes。

现在,借助卫星可以比较容易的测出地球经线的长度,得出的结果实际上比90度经线长度的千万分之一要短1/5毫米。令人吃惊的不是米的实际长度与定义不符,而是两个18世纪的测量员竟能得出如此接近的结果。

5、刻在金属棒上的米

1795年,从前的皇家珠宝商制作了一批铂棒,都是一临时米长、4毫米厚、25.3毫米宽,两端面平行。从中挑出0°C时长度最接近一米的计算值的,于1799年6月被22日放置在国家档案馆,便是众所周知的米原器。公制于1799年12月10日获得立法确认。

根据定义,米原器两端面间有一米长,计量学上称之为端面量具。端面量具并不是一个好主意,因为任何方式的长度测量都需要接触端面,标准具会因此被磨损而变短。一个更好的标准是以金属棒上两个刻痕作为长度单位,这样线的位置可以凭视觉断定。这样的标准称作线量具。

由于国际社会的兴趣以及法国的倡导,1870和1872年举行了两次国际性会议来讨论米的国际标准化问题。与会者赞成以更坚固铂铱合金(铱占10%,误差不大于0.0001%)线量具来代替米原器。他们同时建议米的数值以米原器的长度来定义,“以它当前的状况”,不再依赖于地球经度。

1875年二十个国家参加了第三次会议,其中有十八个签署了一项协议,同意建立国际计量局(BIPM)。不过,米标准具的生产十分困难。即使被加热到极高的熔化温度,铱的纯度仍不超过50%。1874年第一批铸造的合金棒在1877年被遗弃不用,难题转交给了伦敦的Johnson, Matthey公司。他们成功了,一个合金棒被加工成了临时米标准具,尽管它比米原器短0.006毫米。1882年法国又订购了30个合金棒,其中一个(第六号)在当时的测量精度下与米原器的长度精确吻合。这个合金棒在1889年举行的第一届国际计量会议上被宣布为米的国际原型,“从今以后,这个原型在0°C时的长度将代表公制中的长度单位”。米的国际标准具原型现在仍保存在BIPM。

为了给协议的签署国分发标准具,国际计量局制造了“国家标准米”,它们是国际标准米原型的复制品,误差不超过0.01毫米,而且每个都附有相对于标准值的校正系数。

6、用光定义

以光的波长来定义长度单位的想法在19世纪早期就出现了(J. Babinet, 1827),但那时还无法实现这一目标。直到该世纪末,时机成熟了。

白光由不同波长的光混合而成。要以波长来定义长度,首先要得到单一波长的光。只含有一个波长的光——无论波长是多少,如果它存在的话——在人眼看来都只有一种颜色,因此被称作单色光。

幸运的是单色光似乎不难得到:在厨房的煤气炉上撒些盐,当盐中的纳原子被激发时会发出具有单一波长的黄光,与钠气路灯的颜色相同。这个波长是钠原子的特征值。

1892年3月A. A. Michelson 和 J. R. Benoit 成功的测量了由镉原子受激发时发出的红光波长所表示的米单位。Benoit等人在1905年7月提高了测量精度,1907年国际太阳联盟(IAU)定义了一个用在波长测量方面的新长度单位——“国际埃”,规定镉红光的波长为6438.4696 埃。这个值是根据Benoit的实验结果得出的,这样一埃就近似等于一米的10的-10次方(1927年国际计量大会CGPM承认了由镉红光所定义的测量距离,规定它的波长为 0.643 846 96 微米)

1892年以来,随着科学认识不断深入,人们发现即使是在最好的分光镜中,镉红光的谱线也有些模糊。后来看出它是由许多条谱线所构成(物理上称作超精细结构),这影响了光的波长所能确定的长度的精确程度。在同位素被发现之后,人们弄清了光谱模糊的部分原因——光线来自于镉的各种同位素,它们有着同样多的质子,但是中子数目不同。对同位素的光谱研究表明,如果原子的质子数和核子数(质子数与中子数之和)都是偶数,它所发出的光就没有超精细结构。(这种原子没有原子核自旋,因而也就没有原子核自旋与电子自旋的耦合,光就完全来自于电子)

1948年第九届CGPM考虑了以同位素来定义米所需的条件。为了找出最适合作为长度标准的元素,他们重点研究了三种同位素——氪86(36个质子)、汞198(80个质子)和镉114(48个质子)。负责研究进展的委员会建议新的单位应以真空而非空气中的波长为基准,而且波长的量值应通过与已知的镉红光波长相比来确定,不再参考国际标准米原型。第十届CGPM(1954)接受了这些提议,根据光波来定义米,并使一埃精确等于10-10米,尽管这个定义于1960年才获得正式承认。

1957年冬天顾问委员会公布以氪86定义的长度标准,1960年第11届CGPM在第六号决议中这样叙述“国际米原型所定义的标准米的精度已不适合当今计量学的需要”,重新定义米为“真空中氪86原子从2p10跃迁到5d5能级时所发出辐射波长的 1 650 763.73 倍”。

在这样的定义下,要分辨一米的10亿分之四已被证明是不可能的,但是即使达到这个精度仍然不能满足需要。与此同时,激光出现了。激光器所发出的光不仅波长相等,而且相位相同,这为计量学提供了新的可能性。

1983年第17届CGPM(第一号决议)又以真空中的光速重新定义了米。光速299,792,458 米/秒是1975年第15届CGPM的推荐值(第二号决议),它在米的定义中的应用使光速成为目前测量精度的极限。

因此,秒,这一在1791年曾被认为是过于武断的定义,重新成为米的基础。这恐怕也不是米的最终定义,如果需要更高的精度,目前的定义就需要修正。比如,光速受重力场的影响,但是1983的定义中并没有考虑这一点。

H. Barrell. The Metre.
当代物理 Contemporary Physics 1962年第三期415页

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