探析長(zhǎng)度單位的定義發(fā)展和復(fù)現(xiàn)方式

西安黃河機(jī)電有限公司計(jì)量處 李家俊 王 軍

探析長(zhǎng)度單位的定義發(fā)展和復(fù)現(xiàn)方式

西安黃河機(jī)電有限公司計(jì)量處 李家俊 王 軍

長(zhǎng)度單位米的建立經(jīng)歷了一百多年的歷史，從一個(gè)自然基準(zhǔn)到實(shí)物基準(zhǔn)，又從實(shí)物基準(zhǔn)到自然基準(zhǔn)的變化，其不確定度由原來的1×到現(xiàn)在的1×。在現(xiàn)代米的新定義下，可以采用天文、大地等測(cè)量工作的復(fù)現(xiàn)方法；實(shí)驗(yàn)室計(jì)量工作的復(fù)現(xiàn)方法和用于一般測(cè)量工作的復(fù)現(xiàn)方法三種方法進(jìn)行米的定義的復(fù)現(xiàn)。

幾何量；子午線；復(fù)現(xiàn)；米原器；不確定度；Kr光譜；國(guó)際計(jì)量委員會(huì)；光波；躍遷；輻射；真空

幾何量計(jì)量又稱長(zhǎng)度計(jì)量，是我國(guó)起步比較早，發(fā)展比較快，技術(shù)比較成熟的一門科學(xué)。我國(guó)是一個(gè)著名的文明古國(guó)，有著光輝燦爛的古代文明，計(jì)量測(cè)試技術(shù)就是這個(gè)文明的重要組成部分，而作為計(jì)量學(xué)中的幾何量計(jì)量更有著悠久的發(fā)展歷史。早在商代，我國(guó)即開始有象牙尺，秦始皇統(tǒng)一度量衡制，已有互換性產(chǎn)生的萌芽，這從世界第八大奇跡兵馬俑出土的箭族的弩機(jī)已得到證實(shí)。公元1600年前后，我國(guó)就開始發(fā)展長(zhǎng)度和計(jì)時(shí)計(jì)量。而長(zhǎng)度計(jì)量即幾何量計(jì)量的基本單位就是米。

國(guó)際單位制選擇了彼此獨(dú)立的七個(gè)量作為基本量，第一個(gè)就是長(zhǎng)度。它的基本單位名稱是米，符號(hào)是m。米是長(zhǎng)度的SI基本單位名稱，長(zhǎng)度、寬度、厚度、半徑、周長(zhǎng)、距離等物理量的單位，都是用米或它的十進(jìn)倍數(shù)單位來表示的。

計(jì)量單位是人們選定的用于計(jì)量某類可測(cè)量大小的一種尺度，它的量值由該單位的定義決定。體現(xiàn)單位定義所給定的量值，具有最高準(zhǔn)確度的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，叫做該單位的計(jì)量基準(zhǔn)。

為了保證計(jì)量單位的量值固定不變，在確定計(jì)量單位的定義時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用客觀存在的固定量作為賦值的標(biāo)準(zhǔn)，通常可供選用的固定量，有以某一實(shí)物所具有的量作為標(biāo)準(zhǔn)的，稱為實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)；有以自然界天然存在的量作為標(biāo)準(zhǔn)的，稱為自然量標(biāo)準(zhǔn)。

長(zhǎng)度是人們最早認(rèn)識(shí)和使用的一個(gè)物理量。自法國(guó)人建立米制至今，長(zhǎng)度基本單位米定義的建立，經(jīng)歷了一個(gè)從自然基準(zhǔn)到實(shí)物基準(zhǔn)，又從實(shí)物基準(zhǔn)到自然基準(zhǔn)的過程，發(fā)展過程可以分為四個(gè)階段。

1790年法國(guó)國(guó)民議會(huì)采納了達(dá)特蘭提出的“以經(jīng)過巴黎的地球子午線全長(zhǎng)的四千萬分之一為一米”的建議。1799年巴黎科學(xué)院完成了從法國(guó)的敦爾克經(jīng)巴黎到西班牙的巴爾雪隆納這一段子午線的實(shí)測(cè)工作，并根據(jù)這一長(zhǎng)度而制作的白金桿尺來復(fù)現(xiàn)米的量值，按測(cè)量結(jié)果所得的1m長(zhǎng)度制作了這支米尺，就是世界上第一個(gè)“米”定義的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)——檔案米尺。于是世界上最原始的米尺從此誕生了。

以地球子午線弧長(zhǎng)命名的定義的米，精度低、復(fù)現(xiàn)又困難，原始米尺的測(cè)量面又易于磨損。因此在1875年的國(guó)際米制會(huì)議上，對(duì)米作了新的定義，按檔案米尺長(zhǎng)度制作的國(guó)際米原器取代檔案米尺，作為國(guó)際長(zhǎng)度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)在1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，將米定義改為：“米的長(zhǎng)度是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃時(shí)，米原器上兩根刻線間的軸向距離。”

考慮到原始米尺的受損原因，國(guó)際米原器在材料選用和米原器的結(jié)構(gòu)上采取了一系列的措施，以使米原器具有更為優(yōu)越的性能。國(guó)際米原器由90%鉑和10%銥的合金制成，這種合金具有良好的分子穩(wěn)定性、較高的硬度、彈性和異常高的抗氧化性能。米原器的結(jié)構(gòu)呈X型結(jié)構(gòu)，這種截面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，可用最少的材料取得最大的剛度，而且它與周圍空氣有最大的接觸面積，可使溫度迅速達(dá)到平衡狀態(tài)。并規(guī)定米原器應(yīng)支撐在白塞爾支撐點(diǎn)上，以確保其變形最小。

以實(shí)物基準(zhǔn)國(guó)際米原器定義的米，仍然存在著許多問題，不僅因?yàn)槊自鬟@樣的實(shí)物存在著遭受損壞和丟失的可能，而且因?yàn)榭叹€工藝和測(cè)量方法等方面的不完善，使得米原器的復(fù)現(xiàn)精度只有0.1微米，傳遞起來也不是很方便，又無法判定米原器本身的長(zhǎng)度變化。國(guó)際米原器雖然在發(fā)展米制和統(tǒng)一長(zhǎng)度量值方面起了巨大的作用，但它無法適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，0.1微米的精度根本不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的要求，伴隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，利用光波波長(zhǎng)來精密測(cè)量的干涉測(cè)量技術(shù)法被進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，因此這便出現(xiàn)由刻線尺作米的定義轉(zhuǎn)化為以自然基準(zhǔn)的新的米定義之客觀需要。

為了滿足上述要求，各國(guó)都進(jìn)行了這方面的研究工作，并試圖以光波波長(zhǎng)代替鉑銥合金制成的國(guó)際米原器，而將來用光波波長(zhǎng)的形式來表示最初提出采納用鈉(Na)的黃譜線作為基準(zhǔn)譜線，接著有提出采用水銀(Hg)的綠譜線的，以后由邁克爾遜提出采用鎘(Cd)紅譜線作為基準(zhǔn)譜線，各國(guó)的計(jì)量工作者都先后作了相應(yīng)的一系列的試驗(yàn)和研究，認(rèn)為將米尺用光波波長(zhǎng)的形式來表示是可以的。1895年第二次國(guó)際權(quán)度大會(huì)上確定了光波波長(zhǎng)為米的自然證明基準(zhǔn)，而于1927年第七次國(guó)際權(quán)度大會(huì)上公認(rèn)鎘紅譜線的波長(zhǎng)與米尺的比值為：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，一米等于1553164.13個(gè)鎘紅譜線的波長(zhǎng)，即鎘紅譜線的波長(zhǎng)的長(zhǎng)度是0.64384696微米。以后一些國(guó)家的計(jì)量機(jī)構(gòu)又利用能得到更精確的單色譜線之同位素的輻射作為基準(zhǔn)光源的問題進(jìn)行了研究，在前蘇聯(lián)以及英美等國(guó)家進(jìn)行了對(duì)鎘的同位素114(Cd)水銀的同位素198(Hg)和氪的同位素86(Kr)都做了研究工作，認(rèn)為其所發(fā)出的譜線較之鎘紅譜線具有更多的優(yōu)越性，因此為建立更高準(zhǔn)確度的長(zhǎng)度自然基準(zhǔn)提供了新的可能性。1948年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)認(rèn)為采用光的輻射波長(zhǎng)作為米的新定義使長(zhǎng)度基本單位具有更高的準(zhǔn)確度已到了無可爭(zhēng)辯的地位和不可毀滅性，且建議各國(guó)較大的計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)以上的元素所輻射的譜線進(jìn)行研究，建立米的新定義。為此1952年國(guó)際計(jì)量會(huì)議還專門成立了確定米的新定義的專門委員會(huì)。

1954年的第十次國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，許多國(guó)家都作了關(guān)于以上幾種同位素輻射譜線性質(zhì)的研究工作的報(bào)告，闡明了Cd的紅譜線、Kr的黃譜線和Hg的綠譜線的外形及對(duì)稱性等性能。但由于究竟采用哪一種元素的輻射譜線代替國(guó)際米原器作為長(zhǎng)度的自然基準(zhǔn)乃是一個(gè)較復(fù)雜和有爭(zhēng)議的問題，它所涉及的范圍很廣，如對(duì)于譜線的寬度、視見度、對(duì)稱性、干擾、元素的提純、測(cè)量時(shí)的條件等，還必須作深入的研究和比較，故國(guó)際權(quán)度會(huì)議確定在第十一次國(guó)際計(jì)量大會(huì)(1960年)前，仍保留米的原先的定義。

1957年國(guó)際權(quán)度局組織了新的米定義專門委員會(huì)第2次常委會(huì)，各國(guó)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室對(duì)上述研究課題的報(bào)告結(jié)果表明，存在的問題主要有兩個(gè)方面：

(1)光譜線的波長(zhǎng)和變化的更準(zhǔn)確測(cè)量；

(2)用法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)及邁克爾遜干涉僅確定干涉環(huán)視見度的兩種方法來確定光譜線的外形。

同時(shí)對(duì)譜線的外形也作出了如下的結(jié)論：

(1)譜線的寬度：在最好的條件下所得到的譜線寬度已可以區(qū)別出Kr、Hg及Cd的價(jià)值次序，并且按照多普勒的理論效應(yīng)也得到同樣的次序，即Kr的輻射線細(xì)于Hg的輻射線，而Hg的輻射線又細(xì)于Cd的輻射線；

(2)對(duì)稱性：Hg中最好的輻射綠線譜，當(dāng)冷卻水保持20℃時(shí)，仍不對(duì)稱，而Kr的光譜線其對(duì)稱性是完善的；

(3)干擾：發(fā)現(xiàn)Kr較好的光譜線較之Hg較好的光譜線較少受到破壞。

為此根據(jù)這三個(gè)研究因素—譜線的寬度、對(duì)稱性和不大的干擾性均對(duì)于Kr有利，故國(guó)際權(quán)度局認(rèn)為Kr的橙黃譜線是目前已知最好的波長(zhǎng)；且現(xiàn)個(gè)已能得到保證精度在的輻射，它們能夠決定米而大大精確于鉑銥米原器。因此在1958年的國(guó)際權(quán)度委員會(huì)常委會(huì)上，新的米定義專門委員會(huì)提出了關(guān)于從以鉑銥合金國(guó)際米原器作為米的定義過渡到以自然基準(zhǔn)坐基礎(chǔ)的新定義的決議草案提交即將召開的十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)。

到1960年，研究取得顯著成果：已探明Kr橙黃譜線具有最窄的和最對(duì)稱的輻射譜線，它能在最小擾動(dòng)下產(chǎn)生，并可用其他方法進(jìn)行測(cè)量，而且這一單色光譜線的波長(zhǎng)值，只與其輻射頻率和真空中的光速有關(guān)，如果光速為一定值，則波長(zhǎng)就是一個(gè)不隨時(shí)間變化的值，因而可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)按其產(chǎn)生的條件加以復(fù)現(xiàn)，適于作為新定義的自然標(biāo)準(zhǔn)。故而在十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上通過了“米的長(zhǎng)度等于Kr原子的2P和5d能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中的波長(zhǎng)的1650763.73倍”這一定義.根據(jù)上述定義，該譜線在真空中的波長(zhǎng)值λ=(1/1650763.73)m=0.605780201微米，復(fù)現(xiàn)米這一定義的計(jì)量基準(zhǔn)是Kr同位素光譜等裝置。

1982年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)鑒于原有的米定義已不能適應(yīng)一些測(cè)量工作的準(zhǔn)確度要求，在當(dāng)年6月召開了第七屆米定義咨詢委員會(huì)和第八屆單位咨詢委員會(huì)上，審議和通過了這兩個(gè)委員會(huì)組成的聯(lián)合工作組所提出的更改米定義的具體建議。

早在1962年，米定義咨詢委員會(huì)就曾號(hào)召有能力的國(guó)家進(jìn)行有關(guān)用激光取代先行長(zhǎng)度基準(zhǔn)的研究。這是因?yàn)樽约す鈫柺酪詠恚捎诩す饩哂蟹较蛐院谩紊院煤凸鈴?qiáng)大的特點(diǎn)，特別是激光輻射的光譜寬度可以小到0.0001m(相當(dāng)于30kHz)，在用干涉法測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，即使光程差大至幾千米的距離，仍然可以觀察到對(duì)比非常清晰的干涉圖象。這樣一些特點(diǎn)顯示出激光比Kr原子輻射譜線要優(yōu)越得多，但是在當(dāng)時(shí)激光頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性問題尚未得到解決。經(jīng)過幾年的努力，已經(jīng)掌握了激光的一些穩(wěn)頻技術(shù)，包括利用蘭姆凹陷穩(wěn)頻、甲烷吸收穩(wěn)頻、信號(hào)發(fā)生器與壓電陶瓷調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)。因此在1983年召開的第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，批準(zhǔn)了米的新定義：“米是光在真空中在(1/299792458)秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度。”同時(shí)也意味著原來米的定義氪—86光波波長(zhǎng)作為復(fù)現(xiàn)米的基準(zhǔn)已被廢除。

我們現(xiàn)在簡(jiǎn)單的總結(jié)一下長(zhǎng)度基本單位米的定義經(jīng)歷的四個(gè)階段。

第一階段：米的定義為“地球子午線長(zhǎng)的四千萬分之一。”

第二階段：在1889年9月20日，第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)根據(jù)瑞士制造的米原器，給米定義為“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0℃時(shí)，巴黎國(guó)際計(jì)量局的截面X形的鉑銥合金尺兩端刻線記號(hào)間的距離。”

第三階段：在1960年10月的第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上給米下了第三次定義：“米等于Kr原子2P和5d能級(jí)間的躍遷輻射在真空中的1650763.73個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。”

第四階段：就是現(xiàn)在的米的定義，是在1983年第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義的，為“光在真空中（1/299792458）秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度。”第三階段以自然基準(zhǔn)代替實(shí)物基準(zhǔn)，這是計(jì)量科學(xué)的一次革命。用光波波長(zhǎng)定義米的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定、不受環(huán)境的影響，只要符合定義規(guī)定物理?xiàng)l件，就能得到復(fù)現(xiàn)。在特殊的技術(shù)條件下，氪86用起來很困難，仍不是科學(xué)家理想的“米原器”，在用了23年后就被淘汰了。米定義的每次變化，都使得其復(fù)現(xiàn)的不確定度進(jìn)一步減小，第二階段米定義的不確定度是1×，第三階段米定義復(fù)現(xiàn)不確定度是1×第四階段米定義的復(fù)現(xiàn)不確定度達(dá)到了1×。經(jīng)過了一百多年，米的定義由宏觀自然基準(zhǔn)到實(shí)物基準(zhǔn)，然后又發(fā)展到微觀自然基準(zhǔn)的四個(gè)階段，并且正在向不確定度更小的微觀自然基準(zhǔn)方向發(fā)展。

新的米的定義可以采用以下三種方式復(fù)現(xiàn)：

(1)用平面電磁波在真空中、在時(shí)間間隔t內(nèi)所行進(jìn)的路程長(zhǎng)度l復(fù)現(xiàn)。這是一種直接由定義復(fù)現(xiàn)米的方法，只要精確測(cè)出電磁波行進(jìn)的時(shí)間t，就可以利用關(guān)系式l=ct求出長(zhǎng)度值l，式中真空光速值已規(guī)定為c=299792458m/s。很早以前人們就通過時(shí)間來測(cè)量距離了，并在天文大地測(cè)量中被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在只不過是以更高的精確度來復(fù)現(xiàn)米和進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。這一復(fù)現(xiàn)方法也稱之為“飛行時(shí)間法”，它對(duì)天文、大地及航天技術(shù)中的大長(zhǎng)度測(cè)量有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，如能進(jìn)一步提高測(cè)距儀的時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度，大尺寸的測(cè)量可擺脫線紋尺及干涉儀的束縛而獨(dú)立出來，大大減少了傳遞的層次。

(2)用頻率為f的平面電磁波的真空波長(zhǎng)λ來復(fù)現(xiàn)。這種方法稱為“真空波長(zhǎng)法”。在實(shí)際使用時(shí)仍然可以應(yīng)用傳統(tǒng)的光波干涉法，但應(yīng)指出的是這里的波長(zhǎng)不是與Kr基準(zhǔn)波長(zhǎng)相比較得出的，而是通過測(cè)出該電磁波（當(dāng)然包括可見光波在內(nèi)）的頻率值，并應(yīng)用關(guān)系式λ=c/f求得的波長(zhǎng)值，式中的光速c仍為299792458m/s。

(3)直接應(yīng)用米定義咨詢委員會(huì)(CCDM)推薦的五種穩(wěn)頻激光系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)米定義。在CCDM推薦的幾種輻射中，包括五種飽和吸收穩(wěn)頻激光輻射和幾種早已在長(zhǎng)度計(jì)量中廣泛應(yīng)用的同位素光譜燈輻射。比如甲烷吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射；碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射；碘吸收穩(wěn)頻的染料激光或1.15微米氦氖激光的倍頻輻射；對(duì)應(yīng)于Kr原子在2P和5d能級(jí)間的輻躍輻射；Hg和Cd原子的輻射。新米定義的正式批準(zhǔn)意味著Kr光波作為復(fù)現(xiàn)米基準(zhǔn)已被廢除，但它并不排斥Kr以及它同位素光譜燈的繼續(xù)使用，也不降低它們的精度。

以上闡述了長(zhǎng)度計(jì)量中基本單位米的變遷和復(fù)現(xiàn)過程，有不到之處歡迎廣大讀者指正批評(píng)，謝謝大家。

王軍，男，陜西長(zhǎng)武人，工程師，西安黃河機(jī)電有限公司計(jì)量處處長(zhǎng)。

李家俊（1965—），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，西安黃河機(jī)電有限公司計(jì)量處長(zhǎng)度計(jì)量主管。