“公尺”的演變

王貞虎

度量衡是一切科技的根本，其本身也是一門最基礎(chǔ)的科技。在科技史上，公制的發(fā)明絕對是影響最深遠的事件之一。1960年至今，舉世通用的“國際單位制”便是衍生自公制的一套系統(tǒng)。而無論是公制或國際單位制，公尺(1公尺即為現(xiàn)在的1米)這個長度單位都具有中心地位。

過去200多年間，公尺的定義經(jīng)過數(shù)次大大小小的更迭，正好反映了18世紀(jì)以來的科技發(fā)展。

1789年，法國首創(chuàng)公制

公制與法國大革命有著密不可分的關(guān)系。法國人早就有心建立一套科學(xué)的度量衡制度，1789年，那場革命正好帶來“破舊立新”的機會。他們鄭重其事地設(shè)立一個委員會，為了要讓這套度量衡成為名副其實的“公制”，委員會決議采用地球當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，將北極到赤道的經(jīng)線定義為1千萬公尺。

想當(dāng)然地，他們最初定義的是經(jīng)過巴黎的經(jīng)線，但后來真正測量的，則是從敦刻爾克到巴塞隆納那一小段，根據(jù)這段距離，再配合天文觀測，便可推算出所需要的長度。然后將這段長度除以1千萬，便是制作“公尺原器”這根金屬棒的根據(jù)(這根金屬棒曾經(jīng)改版好幾次，此處不細(xì)究)。

1889年，國際公尺原器

從此以后，雖然法國人推廣公制不遺余力，但世界各地的阻力卻相當(dāng)大。1875年是公制全球化的第一個里程碑：許多國家在“公尺條約”上簽字，算是承認(rèn)了公制的國際地位。位于巴黎近郊的“國際度量衡局”便是根據(jù)這個條約于1889年成立的，而公尺定義則改為：保存于該局里面那根鉑銥合金“國際公尺原器”上2個刻度間的長度。

根據(jù)這個定義，公尺遂定于一尊，與地球周長不再有絕對的關(guān)系。嚴(yán)格說來，這不算走回頭路，原因之一是地球并非真正的球形，表面又凹凹凸凸，并不適合當(dāng)長度的標(biāo)準(zhǔn)；原因之二是“國際公尺原器”還有許多副本，分送各國妥善保存，例如美國便將其副本存放于“國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局”。

1960年，以波長定義

但是隨著科技的發(fā)展，“公尺原器”這種中央集權(quán)式定義逐漸過時。于是，在1960年，第11屆“萬國度量衡會議”通過改以光波波長來定義公尺：將氪(86)原子某條橙色光譜線所對應(yīng)的波長，定義為1公尺的1／1650763.73。如此，只要有足夠精密的設(shè)備，任何實驗室皆可量得公尺的標(biāo)準(zhǔn)長度。套句政治術(shù)語，這是個標(biāo)準(zhǔn)的“去中心化”定義。

1983年，改以光速定義

不過，這個定義只用了23年。到了1983年，第17屆“萬國度量衡會議”再度翻案，改將光線在真空中行進一秒的距離定義為299792458公尺，小數(shù)點后面統(tǒng)統(tǒng)是零。

這個定義不但比波長定義簡潔得多，而且放諸宇宙皆準(zhǔn)。因為自從愛因斯坦1905年提出狹義相對論之后，物理學(xué)家便堅信真空光速是宇宙中最絕對的速度。值得注意的是，這個新定義造成“國際單位制”根本上的改變：最基本的物理量從長度變成了光速(通常寫作c)。此后測量光速的目的，不再是為了求得更精確的c值，而是為了對公尺做更精確的定義。

為何要用299792458這個既古怪又麻煩的數(shù)字定義光速呢?那是因為雖然光速非常接近每秒3億公尺(30萬公里)，科學(xué)家卻早就測得十分精確的數(shù)據(jù)：以公尺的舊定義來說，這個數(shù)據(jù)的整數(shù)部分，正是299792458。因此，1983年的新定義可算是“倒因為果”，利用這個整數(shù)倒過來定義光速。

據(jù)說當(dāng)年在會場上，有人主張干脆將光速定義為每秒恰好3億公尺，可惜這個高瞻遠矚的提議卻遭到否決。想必是由于那會使得許多精密數(shù)據(jù)被迫更改，而全球科學(xué)社群經(jīng)不起這樣天翻地覆的變化。

不過，總有一天，有識之士將認(rèn)識到“長痛不如短痛”，而在某次“萬國度量衡會議”上，將光速定義改為每秒3億公尺。