度量衡趣话

林波

俗话说：没有规矩，不成方圆。当我们今天安然享用着十分熟悉的米、秒、千克等度量衡单位时，我们也许不会想到，人类为了找到一个适用的度量衡单位，费了多少周折。

“米”的由来

人们很早就想找到一种可靠的、不变的尺度，作为量度距离大小的统一标准。最初是以人体作为标准，从3 000多年前古埃及的纸草书中，发现了人前臂的图形，用人的前臂作为长度单位，叫“腕尺”。

公元8世纪末，罗马帝国的查理曼大帝把他一只脚长定为1呎。

公元9世纪，撒克逊王朝亨利一世规定，他的手臂向前平伸，从鼻尖到指尖的距离定为1码。

相传我国古代大禹治水时，曾用自己的身体长度作为长度标准，进行治水工程的测量。唐太宗李世民规定，以他的双步，也就是左右脚各走一步作为长度单位，叫作步，并规定一步为五尺，三百步为一里。后来又规定把人手中指当中的一节定为1寸。

到了18世纪，人们开始感到用人体作为长度标准缺点很多，迫切希望找到一种长度固定不变的度量单位，于是想到了地球。国际单位制的长度单位“米”起源于法国。1790年5月，由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为基本长度单位，并用古希腊文中“metron”一词给这个单位命名，后来演变为“meter”，中文叫“米”。

为了制造出标准的“1米”模型，法国天文学家用了7年时间，于1799年制成一根截面是X形状的铂杆，将铂杆两端之间的距离定为1米，这就是最早的米定义，称为“档案米”，在法国档案局保管。

由于米原器的精度不够，且存在变形现象，后来又对1米的定义进行了修订，1960年的修订定义是：“1米的长度等于氪（86kr）原子的2P10和5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1 650 763.73倍。”1983年第17届国际计量大会上又通过了米的新定义：“1/299 792 458秒的时间间隔内光在真空中所经路程的长度。”这个标准使用至今。

“秒”的由来

最早被人们留意到可以用来显示时间的，是太阳和月亮的起落。在中国，远古时代就有了用太阳阴影计时的日晷，欧洲也于公元前1000年左右发明了日晷。古罗马发生过一件有意思的小事。公元前263年，执政官瓦莱里奥·迈萨拉从卡塔尼亚拿回了一尊日晷仪，并把它放在了罗马的市政广场上。可没有想到的是，这日晷的指针稍微有些倾斜。结果，在长达1世纪之久的时期内，古罗马人都生活在一个弄错了的时间里。

日晷仪被使用了很长一段时间，但它不是很准确，并且在晚上和多云的天气就不好用了。因此后来就产生了早期的漏壶计。后来，由于发条系统的使用，开始有了机械表，并且，机械表变得越来越严密和精确。到16世纪，德国人比特·海伦发明了袖珍表。再后来，由于伽利略对钟摆的研究，使得时钟在17世纪得到再次改进。1642年，荷兰人克里斯蒂·安惠根斯利用钟摆原理发明了一种每天只误差1分钟的钟表。现在的石英表已经是相当的准确了：大约每3亿年才会误差1秒钟。

最早把时间按照相同的间隔进行划分的是苏美尔人，苏美尔人创造了许多令人叹为观止的东西，包括最早的城市文明。他们把1天分为24小时，1小时分为60分钟。他们还把1年分为了12个月，每个月分为30天。

在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象最为明显，也最有规律，所以很自然的，时间的量度便以地球自转的周期作为基准，这就是所谓的太阳日。1秒=1/86 400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义为在1900年地球绕太阳沿轨道运动一周所需时间的1/31 556 925.974 7。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。

然而根据这个定义很难对“秒”本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展。1967年第13届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。”

科学家打算重新定义“千克”

对轻重的衡量是在对长短衡量标准出现之后开始的，衡量单位相当复杂。比如中国的战国时期，有石、斤、两、铢、镒、钧等诸多单位，而且秦、楚、魏等国的换算标准还各不相同。其中，1铢在赵国相当于0.65克，在秦国则相当于0.69克。

现在质量的国际标准单位是千克，它的定义是4℃时装在棱为10厘米立方体内的纯水的质量。千克的铂铱合金原器保存在巴黎，是一个高度和直径都是39毫米的圆柱体。据描述，这个圆柱体于1879年被送到法国赛夫勒的国际度量衡委员会。经过抛光和修饰，这个圆筒的质量与法国大革命时期的有关千克的定义相吻合。1889年，它被采纳为千克的国际标准。

跟米原器一样，千克原器也要进行周期性的定检，以确保质量基准的稳定可靠。铂铱合金千克原器具有较好的性能稳定性，但是，实物基准随环境的影响变化较大，污染物、灰尘、水分及对其清洗都将对其造成不确定的变化。但问题是，以金属定义这样一个基本量不太可靠，因为金属的质量会随着时间逐渐改变。据考证，这个白金圆筒的质量已悄悄流失了50微克（大约相当于一粒沙子的重量）。

千克是最后一个通过人造物质、而不是基本物理属性定义的重要标准。科学家们聚集在英国皇家协会讨论如何为“千克”找一个新标杆。专家们经过讨论认为，千克应该和量子力学中一个基本的度量普朗克常数联系起来。通过一种叫作“功率天平”的手段，科学家可以将物体的质量同移动它所需要的电子能量对应起来，这样得出的结果才是最准确的。鉴于以上原因，质量千克将会被重新给予定义，至少有两个重新定义千克的其他提议正在讨论中。它们包括：1.用纯硅原子球体取代铂金和铱混合圆柱体；2.利用已知的“瓦特天平”装置，并利用电磁能定义千克。

克拉的由来

度量衡单位的发展趋势是从混乱到统一，许多单位渐渐被取代，但也有一些最早的单位沿用至今。现在钻石的质量单位克拉（carat）就是一例。

克拉这种计量单位，是由欧洲地中海边的一种角豆树的种子（carob）演化来的。这种树开淡红色的花，然后结出豆荚。在缺少精确称量仪器的时代，人们认为角豆树豆荚里种子的质量，每一颗都是一样的。于是钻石商人就利用这些种子作为称量钻石的砝码，一颗种子的质量就是l克拉。后来，克拉成为钻石和一些贵重或细微物质的计量单位。到1907年，国际上商定1克拉的质量是200毫克。

编辑/姜雯endprint