质量单位的历史变迁与发展

◇陈黎春

质量单位和长度单位、面积单位等一样，都有着漫长的发展历史，饱含传统民族文化。古今中外，各个国家采用过许多名称各异的质量单位，例如英、美两国的磅，英国的盎司，俄罗斯的普特，我国的钧、斤、两等。随着历史的发展，国家的统一，商品流通和社会公平的需要，质量单位慢慢走向统一。

一 我国古代质量单位的创立与发展

我国质量单位的起源，最早可以追溯到约4000年前的夏朝。据说，大禹曾经用自己的体重作为质量的标准。而有记载可查的质量单位，当以彝器上的锊（lüè）和钧为最早，但一锊是多少以及锊和钧的关系现在已无法知道。这两个单位在战国时期还在使用，秦汉间的文献对于锊的多少也没有一致的说法。中国的锊虽有轻、重两种说法，通行的是重的一种，即三锊重二十两。这由毛公鼎铭文中的 “取专卅寽”（取三十锊）可以证明。在战国时期只有两种质量单位，即斤和镒，一斤为十六两，一镒为二十两（也有一说是二十四两）。

再往后，人们用单位体积的黄金、水和黍的重作为质量的单位，《汉书·食货志》记载“黄金方寸，而重一斤”，《后汉书·礼仪志》记载“权水轻重，水一升，冬重十三两”，《汉书·律历志》记载“黄钟律管，长九寸，孔径三分，围九分，一龠（yuè）容一千二百黍，重半两”。以上记载中分别以黄金和水的密度、黍的容重给出长度和质量两个单位量 (容量是长度的导出量)，在规定条件下，黄金、水的密度和黍的容重是常量(或统计出它的平均值)，这三个量互为变量，其中一个量的单位量值发生变化，其他两个也相应变化。汉代利用金属和水的密度确定度量衡单位量值的方法与1874年米制公约将长度、体积和质量的量值相互关联起来（即1克是1立方厘米的水在最大密度下的质量）是十分相似的。

若论真正意义上的质量单位，最早出现在2300多年前的战国时期，后来经过秦、汉、隋、唐、宋等不同朝代的变化，质量单位慢慢得到了统一。其中主要包括：三十斤是一钧，十圭是一铢，二十四铢是一两，十六两是一斤。《孙子算经》《夏侯阳算经》《前汉·律历志》等古书中均有相关记载，并且可以明确这一点：衡起源于黍的数量与质量，计量标准是黄钟。

具体来讲，把一龠（龠即黄钟）能装下的一千二百粒黍的质量，定为十二铢，即一百粒黍重一铢。两龠为一两，即二十四铢，象征二十四节气。一斤十六两，象征四个季节乘东西南北四个方向。一钧三十斤，象征一月三十天。四钧为一石，象征四个季节。“铢”“两”“斤”“钧”“石” 五权就这么郑重定下了，这也解释了过去的市制质量单位为什么不是十进制的原因。在汉代，黄钟律管的长度只有一个标准，这就是九寸(合今20.79厘米，一尺合23.1厘米)。“以黄钟乐律为理论基础、律管为实物根据，再加累黍参校验证”的方法，形成了2000多年来确定度量衡单位标准之传统正法。

但是从解放前流传下来的常用质量单位是斤、两、钱、分、厘，没有铢。这个变化源于唐宋，原因在于非十进制计算比较麻烦。唐朝的铜钱“开元天宝”，每枚重二铢四累（古用絫），十枚重二十四铢为一两，后来觉得计算不方便，就改为十钱为一两 ，即用“钱”代替了“铢”，与“累”“黍”一样，均为十进制。到了宋代，又用“分”“厘”代替了“累”“黍”，“钱”以下的质量单位借用长度的十进位制单位分、厘、毫、丝、忽。而“斤”“两”“钱”“分”“厘”等质量单位一直沿用到如今。由十六两一斤改为十两为一斤是1959年6月25日国务院发布《关于统一计量制度的命令》中确定的内容之一，当时统一了“十两是一斤，二斤是一公斤，一公斤等于一千克”。这样的统一，不但让人们使用质量单位更加方便，而且让我国的质量单位与世界标准质量单位成功接轨了。

二 我国古代称量工具的发明与发展

当物品有所丰富，初步的计量单位确定之后，人们意识到还需要做出标准器物将其固化，以使单位基准能够长期保存并便于传递。自夏商周三代到秦汉，称量工具大致经历了从直观感知、假借器物测量到创造出专用器物的成长历程。

最早，人们只凭借感觉确定物体的质量，如以“手捧为升”量粮食。直到春秋战国时期，仍是用升、斗、合等容量单位来测量粮食的质量，此后再逐步过渡到石、钧、斤、两等。

我国古代人民是最早使用天平来测量物体质量的。（如图1）天平的本质是等臂杠杆（古称衡），支点在中间，两端分别挂待测物体与砝码（古称权）。杠杆水平静止时，物重和权重相等，从砝码质量可知物体质量。天平测量质量很准确，但要求配备成套的砝码，携带很不方便，并且量程受到限制。西汉后，权衡器逐步转化为不等臂的杆秤、秤砣。杆秤量程广，使用和携带都很方便，制作也简单，受到人们的欢迎，一直流传至今。人们对质量这一概念的认识比长度和时间更晚，直到18世纪，才由牛顿最后确立了质量的概念。（如图 2）

图1 古代的天平

图2 人类的活动与天平的发明

秦孝公十八年(公元前344年)，商鞅监制颁发了铜方升，采用“以度审容”的方法，即以尺寸定容积。铜方升刻铭以十六又五分之一立方寸的体积为一升的容量。商鞅方升是现存最早的度量衡标准器（如图3）。随着人们度量的不断精细化，对称量工具的要求也越来越高，成书于战国时期的手工技术总汇——《考工记》一书，详细记载了釜、斗（古用豆）、升这三量合一的复合标准器——栗氏量的制造工艺、形制规格等技术资料。西汉末年，天文学家、数学家刘歆参照《考工记》中“栗氏量”制成了一件划时代的复合标准量器——“新莽铜嘉量”。“新莽铜嘉量”五量合一，由一个器物表现出龠、合、升、斗、斛这五种量器的大小，同时还能表现出长度单位和质量单位的大小，按照其设计，还应该在敲击时，能表现出音律黄钟调来。新莽铜嘉量制成后，成为历代制作度量衡标准器所必须参照的模板，清代乾隆时期制作度量衡标准器——乾隆嘉量，就是以新莽铜嘉量为参照对象的。相比之下，欧洲直到17世纪，才由开普勒制作出开普勒量器。

图3 战国 秦 商鞅铜方升容积202.15立方厘米

三 国际质量单位的演进历史

目前，质量单位千克是国际单位制中最常见的七个基本单位之一，也是唯一一个采用实物复现的方式来表示其属性的单位。国际上对质量单位千克的规定大致经历了以下三个历程：理论定义、档案局千克、千克原器。

最初质量单位千克是由长度单位米导出的，即在4°C、1个标准大气压下1立方分米的纯水的质量为1千克。1799年根据这个理论定义用铂作了一个圆柱体砝码作为质量单位基准保存在法国档案局，称为档案局千克。但实际操作中根据理论定义复现千克有许多困难，确定1立方分米的纯水过程中存在许多不确定因素。为此决定放弃质量单位的理论定义采用档案局千克作为质量单位基准使用。

米制公约组织成立后，建立的国际计量局用铂铱合金仿照档案局千克制成一批千克原器。这些千克原器是由90%的铂和10%的铱组成的铂铱合金制成的，各自纯度为99.99%，而且它们是在真空中冶炼成后又经精心锻造，故它们的基体密度很大，合金内部物质变化和气体释放所引起的质量变化很微小，可以忽略不计。由于这种合金中有一定数量的铱，其硬度大大提高而且耐磨。为减少由于磨损或其他物质吸附而引起的质量变化，在制造千克原器时，要尽可能地减少其表面积，以保证其测量结果的精确度。考虑到使用球体作为原器形状，在加工、校准以及使用过程中的诸多不便，设计者便选择正圆柱体作为其基本形状，并在设计过程中将其高度和直径都设置为39mm，将其棱边略微修圆。在第一届国际计量大会上选了最接近档案局千克的一个千克原器作为质量的国际单位——千克，即国际千克原器，余下的大部分分发给有关国家作为该国的千克原器。我国于1965年从英国引进了国际计量局编号为60号的千克原器，1986年经原国家计量局批准，把60号千克原器作为国家质量基准。

1984年，我国在国际质量单位的基础上发布了t(吨)和u（原子质量单位），这两个单位是由16个国家选定的非国际单位制单位。根据国际协议，规定C12原子质量的为一个原子质量单位。利用质谱仪测定其他原子的质量，可以达到相当高的精确度。我们之所以增加这个标准，是因为按目前测量技术，将各种原子质量相互比较时的精确度，远高于将原子质量与标准千克比较所达到的精确度。这两个质量标准单位之间的关系近似地为1原子质量单位=1.661×10-27千克。

目前，在七个最常见国际基本单位中，除质量单位外，其他基本量均已建立起统一的自然基准，并随着其发展做出适当调整。而对于质量单位，其定义仍局限在国际千克原器上，使得各国无法单独复现千克，同时国际千克原器的量值也难以达到固定不变。从这一角度来看，说质量单位还未成熟，有待继续成长一点也不为过。然而让人乐见的是，人们一直在寻求用某种自然规律或物质特性，像米原器一样，试图在精确测量的基础上对质量单位进行精准的定义，以期建立自然基准，相信这一天必将会到来。

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