计量人生

李明洋

1920年诺贝尔物理学奖颁发给了查尔斯·埃杜德·纪尧姆（Charles·douard Guillaume）（图1），用以表彰他发现了后来被称作“因瓦”（Invar）与“艾林瓦”（Elinvar）的2种铁镍合金。而当我们对比在纪尧姆前后获得诺贝尔奖的物理学家时，我们会发现一些奇怪之处：他的工作与20世纪初最前沿的领域——相对论和量子力学毫不相干。有研究者认为，“纪尧姆是一个奇怪的选择”，夹在1919年诺贝尔奖得主约翰尼斯·斯塔克（Johannes Stark）和1921年阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）之间。前者因其关于光谱学和电场中的离子的研究而获奖，后者则“由于其对于理论物理学的贡献，特别是发现了光电效应”而获奖。或许真如作者所言，诺奖评选的流程中存在“猫腻”，不过这并不是我们关注的重点。我们想要了解的是，纪尧姆究竟是何人物？他作出了什么样的贡献？而这些贡献是否足以让他无愧于诺奖？我们将从他的“计量人生”中找到答案。

一、计量人生：从钟表世家到国际计量局

法国大革命期间，纪尧姆的祖父离开了法国，在伦敦开始了自己的钟表制造生意。他的3个儿子继承了他的生意，但是其中之一——也是纪尧姆的父亲——后来又回到了欧洲大陆，定居在瑞士的弗勒里埃（Fleurier）。1861年2月15日，纪尧姆就出生于此。

纪尧姆在其父的影响下接触了科学，对于测量及其精确性有着深刻的理解。他的早期教育是在纳沙泰尔（Neuchate）接受的。17岁时，他来到苏黎世联邦理工学院，并获得了博士学位。毕业之后，纪尧姆在军队中短时期地担任了军官，并学习了机械学和弹道学。1883年，他进入位于巴黎附近的塞夫勒（Sèvres）的国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM，见图2），成为一名助理，并在这里度过了他的整个职业生涯。10年之后，他成为副局长；1915年起担任局长，直到1936年退休。此后他作为荣誉局长，直到1938年去世。

在他43年的职业生涯中，纪尧姆对于近代计量学作出了如下几项重要的贡献。首先，他对玻璃水银温度计进行了重要的修正，并制备出误差小于1%的温度计，从而取代了氢气温度计。1889年，铂铱合金制作的国际米原器被分发给“米制公约”（Convention du Mètre）的成员国，并且每一个都配发了2支玻璃水银温度计和一张修正表，以便于水银温度计读数转换为氢温度温标。其次，他致力于国际米制（International Meter）的初步工作。1889年9月26日，在第1届国际计量大会（ConférenceGénérale des Poids et Mesures，CGPM）上，纪尧姆介绍了当时世界测量界的现状，并阐述了推进米制系统的重要性和必要性。他还参与了创制和复制米原器和千克原器（见图3）的工作。最后，纪尧姆最为突出的工作是关于铁镍合金膨胀系数的研究，这引发了对于整个系列合金的系统性探究，并最终导致了因瓦合金与艾林瓦合金的发现。

二、因瓦合金与艾林瓦合金的发现

回到19世纪90年代初，就在1889年第1届国际计量大会之后（见图4），经过了新的国际米原器的制造、校准和配发工作，对于高质量米制标准和比铂铱合金更经济的材料的需求出现了。与此同时，对用于建立测地学基础的4m长的金属标尺的需求也同样迫切。而纪尧姆正是负责寻找最合适的金属或合金的项目的人。

1892年，纪尧姆向国际计量委员会（ComitéInternational des Poids et Mesures，CIPM）提交了一份报告，报告中称他测试了一系列金属与合金，包括纯镍、1种铁镍合金和3种铜锡合金（即青铜）。其中纯镍是最有希望的材料，而铁镍合金由于其较差的耐腐蚀性而被纪尧姆排除在外。唯一存在的问题则是纯镍的加工性能不佳。

看起来纪尧姆似乎差点错过了发现因瓦合金以及赢得诺贝尔奖的机会，直到一个意料之外的发现的产生。1895年，在位于巴黎的军械技术部（Section technique delartillerie）的要求下，伯努瓦（René Benot）已经对一块含有22%镍和3%铬的铁合金标准样品进行了研究，并发现其膨胀性接近于铜锌合金（即黄铜）。而该合金还是一种非铁磁性合金，因此它的性質显得极为反常。所以他请纪尧姆帮忙测量该合金的热膨胀系数。纪尧姆的测量结果显示其热膨胀系数约为18ppm/℃，比纯镍的10ppm/℃要大得多。纪尧姆还发现它是非铁磁性的，这也与纯镍不同。进一步的研究显示，该合金的长度随温度的变化很不稳定，因此它不是制作长度标准的合适材料。一年之后，纪尧姆测量了另一种铁镍合金的热膨胀系数，此种合金的含镍量略高于22%。他非常惊讶地发现其热膨胀系数仅为之前那种合金的1/3，甚至比铂的热膨胀系数还要低。这一意外的发现引起了纪尧姆对于热膨胀系数与合金成分之间关系的研究兴趣。他意识到具有更低的热膨胀系数的合金是可以通过不断调试合金成分来得到的。

直到此时，机遇和命运一直在青睐纪尧姆，正如他后来所说：“机遇的角色已经结束了；研究是必要的，而且是充满希望的，但是要让希望成为现实，大量的冶金学和测量学的努力依然是必需的。”进一步的研究亟待展开，然而当时的国际计量局仅有10名左右的员工，根本没有资源可为纪尧姆的系统研究提供财政支持。不过，科富德矿业公司（Sociétéde CommentryFourchambault et Decazeville）——即后来的殷菲合金公司（Imphy Alloys）总裁亨利·法约尔（Henri Fayol），不仅愿意提供帮助，而且让他的公司随时准备为纪尧姆生产任何他所需要成分的合金。法约尔对纪尧姆说：“你的工作非常有趣。无论你需要什么，我都会一直帮助你。”纪尧姆在1920年12月11日诺贝尔奖颁奖典礼上也表达了他对法约尔的感谢：“正是得益于他慷慨的合作，才使我的研究有可能持续长达1/4个世纪。”纪尧姆前后让法约尔制备了17种铁镍合金，涵盖了从纯铁到含镍44%的铁镍合金等多种成分，其中一些还含有少量的铬。自1894年起，在后来的25年中，殷菲公司为纪尧姆的研究项目提供了超过600种成分不同的合金。其中，第1个进入生产流程的产品，也是最重要的产品，是1896年生产的，后来被命名为“因瓦合金”（Invar），因为它的长度随温度“不变”（invariant）的特性。因瓦合金是含镍36%的铁镍合金，其室温下的热膨胀系数为0.8×10-6/℃，这在铁镍合金中是最小的（见图5）。此发现后不久，因瓦合金就成为注册商标，至今仍在使用。

对法约尔而言，因瓦合金的未来前景已是一片光明。因此他在殷菲公司里设立了专门的实验室，由工程师皮埃尔·切文那特（Pierre Chevenard）负责。切文那特毕业于巴黎高等矿业学院，于1911年加入殷菲公司。该实验室专为精确的冶金学研究设立，切文那特为其装备了整套的精确设备，可以通过小型样品测量合金的机械性能和热力学性能。通过这种方式，大量的不同成分的合金可以被制备并得以表征，同时不会产生大量的浪费。切文那特因为这些仪器而成名，并继法约尔之后成为殷菲公司的总裁。在此期间，他的合作伙伴纪尧姆也荣升国际计量局的局长，这使得他们之间的合作更为密切了。

20世纪初，出于中和碳杂质效应的考虑，纪尧姆开始关注铬含量在因瓦合金中的作用，这把他引向对于更高比例的铬组分的影响的研究，从而使他发现了艾林瓦合金（见图7），它在相当大的温区内杨氏模量（而非长度）不随温度发生改变。纪尧姆对于这一类合金进行了的坚定的研究，因为在他的家庭背景的影响下，他敏锐地发现了它们对于提升钟表精确性的潜力。因此他成功地把因瓦合金在摆轮中的应用与艾林瓦合金在游丝中的应用结合了起来。这真切地体现了一个瑞士人对于钟表的执着。

1920年，“考虑到纪尧姆先生的工作对于精确测量学乃至整个现代科学与工程发展的极大重要性”，瑞典科学院将1920年诺贝尔物理学奖授予了纪尧姆，“以表彰他通过发现铁镍合金的特性而对物理学的精确技术所做出的贡献”。纪尧姆的工作是第1项也是目前为止唯一一项获诺贝尔奖的冶金学研究。

三、因瓦合金的应用及影响

纪尧姆在1920年诺贝尔奖演讲中称，因瓦合金的发现完全改变了测地学中测量基线的方法，不随温度变化的长测量链和测量线的使用大大减少了人力需求，也极大地提高了精确性。在白炽灯的制造中，铁镍合金也取代了铂的地位。埃克斯特兰德评论道：“考虑到现在铂的价格，这意味着每年节省了2 000万法郎。”精密计时法也与纪尧姆的发现和研究密切相关——艾林瓦合金使得钟表能够比以前耗费更少，但更加精确。

除了解决测地学、人工照明以及制表业中的问题，因瓦合金与艾林瓦合金还创造了新的应用领域，其中一些连纪尧姆可能都不会想到。例如，集成电路中的尺寸稳定的框架，彩色电视管的影罩，喷气式飞机的复合式工具，大规模输电电缆的沉淀硬化核心，运输液化天然气的双壳体船，以及航天器上光学系统的建立，等等。

因瓦合金和艾林瓦合金逐渐在许多高技术领域得到应用，例如精密仪器制造，微波通讯，航空航天以及石油输运容器等。此外，它们对于金属磁性的解释也非常重要。显然，热学性能与磁学性能是密切相关的，而二者都随合金成分的改变及其热处理的方式的不同而变化。虽然因瓦合金的非常规膨胀的机械原理对于材料科学家而言依旧是一个谜，但是相关的研究已经引起了强烈的兴趣，并且许多理论由此产生，促进了材料科学的发展。

纪尧姆没有刻意去寻找一种具有零热膨胀的合金，因为在他发现铁镍合金的性质之前，他根本不可能想到会有这样一种合金存在。因瓦合金随之而来的种种应用，正是所有意外发现的典型代表。2000年诺贝尔奖得主赫伯特·克勒默（Herbert Kroemer）在他的演讲中表达了他对于新技术的理解：“任何最新的和革命性的技术的主要应用总会是——并且还将继续是——那项技术创造出的应用。”因瓦合金与艾林瓦合金的应用就很好地符合了这一点。

1864年，一位英国的业余科学家亨利·索比（Henry Clifton Sorby）向英国科学促进会（British Association for the Advancement of Science，简称“BAAS”）提交了一篇論文，论文中他呈现并描述了大量的各种钢铁制品的显微照片。这篇论文标志着金相学的开端。而纪尧姆的发现和研究为金相学家提供了大量的新材料和研究课题。更重要的是，“通过把精确的测量学方法应用到合金的科学研究之中，纪尧姆开辟了定量金相学之路。”这句引言来自切文那特，他和纪尧姆一起研究了二元合金与三元合金成分的影响，在加工过程中变量的角色，晶粒尺寸和晶体织构的效应，内应力，乃至表面粗糙度，上述所有因素与热膨胀性的关系。他们在诸如索比的早期金相学实践者和今天的物理金相学研究者之间搭建了桥梁。

对因瓦合金和艾林瓦合金的研究是科学与工业相结合的又一完美案例。我们已经讨论了纪尧姆与法约尔之间的合作关系，这对于他们是双赢的。纪尧姆从公司得到了足够的资金和技术支持以进行进一步的研究，而法约尔的殷菲公司则成为100多年来全世界因瓦合金的主要供货商之一。到19世纪末，越来越多的科学家从公司得到支持，其中一些被称为“工业科学家”的人甚至进入到公司的实验室，这种合作模式也变得越来越普遍。

四、纪尧姆与国际计量局

国际计量局的发展与米制系统的推进进程和现代测量学的历史是不可分割的，而纪尧姆的职业生涯正是国际计量局早期工作的缩影。

法国政府自大革命之后就开始进行质量尺寸的标准化工作，米制系统正是在这一时期建立的。1791年3月25日，法国国民大会决定接受基于以“米”为基本单位的测量系统。这一系统逐渐为欧洲其他国家了解和接受，从而使得全世界测量学的统一变得越来越必要。在法国的倡议下，国际米制委员会（International Metre Commission）于1875年3月1日在巴黎召开会议。2个月之后的1791年5月20日，来自17个国家的代表签署了《米制公约》，并决定设立国际计量局，用以确保国际合作以及米制系统的发展。

到纪尧姆获诺贝尔奖时，如果回顾国际计量局的工作，我们可以说它出色地完成了它的任务，而纪尧姆在其中扮演了重要的角色。诺贝尔奖对于纪尧姆和国际计量局而言都是一个纪念性的时刻。一方面，根据特里·奎因（Terry Quinn1988-2003年间担任国际计量局局长的实验物理学家）的说法，诺贝尔奖标志着国际计量局第1阶段工作的结束，包括氢温度温标的建立，新的米原器的校准，标准“米”的测量，第1个国际千克原器的确立以及通过因瓦合金的应用带来的测地学与计时技术的革命。我们可以说诺贝尔奖不仅仅是颁发给纪尧姆的，而是颁给国际计量局所有为上述的工作做出过贡献的的科学家和工作人员的。

1920年12月10日，瑞典皇家科学学会主席埃克斯特兰德（A. G. Ekstrand）在诺贝尔奖颁奖典礼上说：“只有当我们成功地通过长度和重量描述了现象之后，自然的知识才真正开始。科学的发展常常伴随着测量精确性的进步。”所谓的“测

量”指的是通过某些方法来确定不同物体的相关参数，从而在一些共同的基础上对它们进行比较。时间、长度和重量是人类最早认识到的概念，而他们也构成了科学，特别是物理学的基础。因此，最根本的问题是如何测量这些参数以及如何为它们确定单位。第一个问题相对较容易，因为古人们已经发明了各种各样的仪器，比如钟表和天平。然而，测量的精确性决定了人类认识世界的尺度。几千年来，人们一直致力于制造越来越精确的仪器来观察宇宙。另一方面，关于第二个问题，测量中的混乱一直是科学发展中的严重阻碍，这也带来了标准化的需求。而这正是米制系统产生以及国际计量局诞生的原因。有了更加精确的仪器和技术，我们可以更广泛地认识这个世界；有了一系列标准化的单位系统，我们可以通过更加简洁的方式认识世界，并且更轻松地互相交流。纪尧姆对于精确计量的追求，与人类对于标准化的追求适时地融合在一起。从这个角度來看，1920年诺贝尔物理学家不仅是对纪尧姆工作的肯定，也是对人类寻求精确与标准之路的肯定。

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