長度單位米的前生今世與未來

武際可

人類對長度和距離的測量，有很長的歷史，其間的變化可謂異彩紛呈。

從亂進級到十進制

從世界范圍來看，度量衡的統一是人類交通和經濟發展的必然結果。人們要進行貿易和商品買賣，政府為了征稅，就需要把度量統一。我國是世界上較早實行度量衡統一的國家，從公元前359年秦國商鞅變法開始，就頒布了統一度量衡的法令。后來，秦國統一了全國，實行“車同軌，書同文”和全國統一度量單位的政策。

當時規定的基本長度單位是尺，大致上就是普通人從手腕到胳膊肘的長度。至今，人們還把小臂外側的這段骨頭稱為尺骨。在秦朝時，標準尺的長度大約相當于今天的23厘米。話雖這么說，在實際生活中，長度的量度還是很混亂的。用于表征長度的其他單位就有如下一些：

拃，讀zhǎ，指張開大拇指和中指（或小指）的長度。例如說一拃長。

庹，讀tuǒ，成人兩臂左右伸直的長度。例如說兩庹長。

還有：五尺曰墨，六尺曰步，七尺曰仞，八尺曰尋，十尺曰丈，一百五十丈曰里，等等。

隨著社會的進步，人們活動和交往的擴大，需要在更大范圍統一度量衡的標準。一種理想的單位制必須具有兩個條件：一是基本單位要準確客觀，二是進級比較科學。

我國統一的長度計量標準雖然很早便確立，但還不科學，除了基本單位尺之外，還有拃、庹等非標準的基本單位流行;另外，進級很不科學，有墨、步、仞、尋、丈、里等不規則的進級。在國外，已經流行了很長時間的英制長度也不方便，其基本單位除英尺外還有碼，進位又是十二進制，與數字的十進制不統一，使用起來很不方便。

確立比較科學的單位制，后來便歷史性地落在了法國肩上。這是因為在18世紀末，當時的法國具有產生新的度量標準的客觀條件：

一是，當時法國的度量標準非常亂，每一個地方都有自己的長度單位。即使在同一個地方，不同的行業也有不同的單位。人們早就渴望改革，希望制定統一的長度標準;但在法國大革命之前，政府的權威不夠或者政府并沒有把這個問題提高到足夠重視的程度。

二是，1789年法國大革命之后，新政府對度量單位的改革比較重視，并立即著手改革。

三是，18世紀末，法國涌現了一批世界著名的科學家，新政府把這項改革委托給這些科學家，從而使得新的單位制能夠牢固地建立在新發展的科學的基礎上。

1790年5月8日，法國國民議會宣布進行度量衡改革，并委托法國科學院來確定如何規定單位。法國科學院成立了一個委員會來處理這個問題。該委員會的成員有數學家與力學家拉格朗日、力學家與天文學家拉普拉斯、化學家拉瓦錫、測量儀器設計家德波達、科學院秘書德孔多塞等，拉格朗日擔任委員會主席。

委員會做的第一件事就是由拉格朗日提出充分根據，建議采用十進制作為標準單位。委員會于1790年10月27日決定，把度量衡單位都定為十進制。這樣一來，就使度量單位的進制與長期形成的數字的十進制相一致，進而為計算帶來了極大方便。

從海里到米

委員會做的第二件事是討論長度與質量單位。他們決定，采用從赤道到北極的一千萬分之一為米，米的百分之一為厘米，以1立方分米的純水為質量的基本單位。法國國民議會于1791年3月30日通過了這個提案。這些基本單位的制定原則一定是以自然界客觀存在的量為基準。之后，法國科學院的很多專家都投入到測量與確定標準量的工作之中。

法國國民議會大廈

之所以采用從赤道到北極的一千萬分之一為米，是基于這樣的思考：15～16世紀，世界航海事業快速發展，一種和航海關系很密切的長度單位非常普及，這就是海里。1海里大約是地球上的大圓角度一分所對應的長度。這對于航海非常方便，只要測量星空與原來的位置差多少度多少分，便可以直接得到走了多少距離。新的長度單位也要充分滿足航海的要求，于是便把大圓的1/4，即赤道到北極的長度的一千萬分之一作為1米。當時，委員會原本計劃把直角的度數從90°改變為100°，可惜后者未能實現。如果該計劃最終實現的話，沿大圓航行1°恰好是100千米，豈不很方便了。

接下來，就要測量地球子午線的長度了。天文學家約瑟夫·德朗布爾和安德烈·梅尚毅然接受了這一重任。他們約定，從巴黎出發，背向而行，共同完成從敦刻爾克到巴黎、再到巴塞羅那這一段地球子午線的測量工作。博學多才的德朗布爾從巴黎向北走，細致認真的梅尚從巴黎往南走，一旦兩人到達各自目的地——敦刻爾克和巴塞羅那，就開始測量彼此間的距離;最后根據測量數據進行計算，以便得出1米的長度是多少。不過，當時的法蘭西正處在資產階級革命的狂熱中，社會十分混亂，兩位科學家常常要冒著被追捕的危險。在巴黎郊外，德朗布爾多次躲開狂熱人群的追捕，有幾次差點被送上斷頭臺。在法蘭西與西班牙的激烈交戰中，梅尚曾被當作法國密探遭到拘禁。

經過7年的跋涉，德朗布爾和梅尚終于在法國南部要塞卡爾卡松會合。他們帶著勘測資料返回巴黎時，拿破侖·波拿巴已成為法蘭西新的統治者，法國政局也恢復穩定。巴黎群眾像迎接英雄一樣歡迎他們。崇尚科學的拿破侖也給予二人極高評價：“勝利如過眼煙云，但是這項成就會永存于世。”

設在巴黎的國際科學委員會還用純鉑制成一根1米長的金屬棒，來紀念兩位科學家的探險活動。

1812年，法國頒布施行“米制”，并于1837年起在全國強制推行，使米制率先在法國扎根。

1875年，國際度量衡委員會在巴黎開會，法、德、美、俄等17國政府代表共同簽署了《米制公約》，同意成立國際度量衡局，并公認米制是在法國大革命中誕生的一項最偉大的科學事業，確定“米”為標準國際長度單位，并一直沿用至今。

1889年國際米原器

從“檔案米”到光波米

遺憾的是，從事測量工作的天文學家出現了小小失誤，導致1米的長度比定義中的長度縮短了0.02毫米。后來，人們通過衛星的精確測量發現，從地球極點到赤道的經線長為1.000229千萬米，而不是梅尚測量的1千萬米。也就是說，長度標準單位1米比規定的長度短了0.02毫米。著名科普作家肯·奧爾德曾在《萬物的尺度》中披露說，梅尚返回巴黎后，發現測量有錯誤，因為他在同一地方的兩次測量結果不能吻合。這一失誤產生的負罪感令梅尚日夜不寧，精神瀕臨崩潰。為修正錯誤，他再次赴野外測量，結果因患瘧疾而死于途中。

1799年，根據測量結果，法國科學家制成一根3.5毫米×25毫米X形截面的鉑桿，以此桿兩端之間的距離定為1米，并交法國檔案局保管。因此，這根鉑桿也被稱為“檔案米”。這是最早的“米”定義。

由于“檔案米”存在嚴重的變形現象，人們于1872年放棄了“檔案米”的米定義，而以鉑銥合金（90%的鉑和10%的銥）制造的米原器作為長度單位。米原器是根據“檔案米”的長度制造的，當時共制出了31 只，截面近似X形，把“檔案米”的長度以兩條寬度為6～8微米的刻線刻在尺子的凹槽（中性面）上。

1889年，在第一次國際計量大會上，經國際計量局鑒定的第6號米原器（31只米原器中在0℃時最接近“檔案米”長度的一只）被選為國際米原器，作為世界上最權威的長度基準器保存在巴黎國際計量局地下室中，其余的尺子作為副尺分發給與會各國。大會規定，在周圍空氣溫度為0℃時，米原器兩端中間刻線之間的距離為1米。

1927年，第七屆國際計量大會又對米定義給出了嚴格規定，除溫度要求外，還提出米原器必須保存在1標準大氣壓下，并對其放置方法做出了具體規定。

但是，使用米原器作為米的客觀標準也存在很多缺點，如材料變形、測量精度不高（只能達到0.1微米）、很難滿足計量學和其他精密測量的需要，等等。另外，萬一米原器損壞，復制將無所依據，特別是復制品很難保證與原器完全一致，這給各使用國帶來了困難。因此，采用自然量值作為單位基準器的設想一直為人們所向往。

20世紀 50年代，隨著同位素光譜光源的發展，人們發現了寬度很窄的氪86同位素譜線，加之干涉技術的成功，人們終于找到了一種不易毀壞的自然標準，即以光波波長作為長度單位的自然基準。

1960年，第十一屆國際計量大會對米的定義進行了如下更改：“米的長度等于氪86原子的2p10和5d1能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍。”這一自然基準性能穩定，不存在變形問題，容易復現，而且具有很高的復現精度。我國也于1963年建立了氪86同位素長度基準。米的定義更改后，國際米原器仍按原規定保存在國際計量局。

“火星氣候探測者”號

隨著科學技術的進步，20世紀70年代以來，人類對時間和光速的測定都達到了很高的精確度。因此，在1983年10月于巴黎召開的第十七屆國際計量大會上，又通過了米的新定義：“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度。”

這樣一來，基于光譜線波長的米的定義就被新的米定義所替代了。

從“自家米”到“國際米”

采用國際單位，能夠使本國比較快地和國際科學界、工商業接軌，是一個國家向世界開放的標志。

清光緒三十四年（1908），清政府擬訂劃一度量衡制和推行章程，商請國際權度局制造鉑銥合金原器和鎳鋼合金副原器，次年制成運回國。1928年，中華民國政府公布度量衡法，規定采用“萬國公制”為標準制，并暫設輔制“市用制”作為過渡，即1公尺為3市尺，1公升為1市升，1 公斤為2市斤。改革后的市制適應民眾習慣，又與公制換算簡便，逐漸為民眾所接受。1949年后，市用制通行全國。

1984年，國務院發布命令，采用以國際單位制為基礎，同時選用一些非國際單位制單位的中華人民共和國法定計量單位（簡稱法定單位）。當時，考慮到民眾習慣，對中藥方劑計量還保留了市用制;1979年1月1日，中藥方劑計量也開始使用公制。自1991 年1月1日起，法定單位制成為我國唯一合法的計量單位。

迄今為止，世界上224個國家和地區，絕大部分都采用國際單位制，只有美國、緬甸和利比里亞3個國家還堅持使用英制而拒絕使用公制。后兩個國家可能是由于習慣問題，美國則認為自己是科技、工業、教育界老大而拒絕使用。

不過，美國也為此付出了代價，除了大量的單位換算給教學和交換帶來不便之外，還造成過巨大的損失。1999年，美國宇航局“火星氣候探測者”號發現它距離火星比科學家預測的近了60英里（96千米）左右。這不是因為時空關系出現了問題，而是因為在“火星氣候探測者”號開發中出現了兩種計量單位的沖突。美國宇航局科學家在計算中采用的是公制單位（如米和厘米等），但提供導航軟件的洛克希德·馬丁公司的工程師在研究中采用的是英尺、英寸等英制單位。結果，由于運行軌道總不穩定， 耗資8000萬英鎊建造的“火星氣候探測者”號最終撞向火星表面報銷。

【責任編輯】趙 菲