一米的由来 不简单

我们在日常计量中经常会用到米这个长度单位。虽然我们对这个长度单位的应用习以为常,但你知道这个“米”的由来吗?其实说来话长。

国王手臂定尺寸

在古埃及,最早的长度计量单位之一是腕尺。在古埃及最重要建筑的建造中,计量所采用的王室腕尺是基于法老(国王)从手肘到中指末端的臂长再加上手掌宽度。由于腕尺这个单位很重要,因此有用花岗岩制作的腕尺棒来把腕尺标准化。腕尺棒被细分成更小的长度单位,这有点像今天把米细分成分米、厘米和毫米。

吉希腊人从古巴比伦人和古埃及人那里学到了长度单位,传给了古罗马人。被古罗马人改进的基于人足长度或走一步的跨度的细分化长度单位传到了欧洲其他地方。例如,走两步(左一步加右一步)的跨度大约是1米或1码(约0.914米)。不过,码这个单位并不是基于两步的长度,而是基于英格兰国王亨利一世伸出的手臂长度。拉丁语中的1000步就是英语中“里”(即英里,1英里约等于1.609千米)这个词的由来。但是。古罗马人所说的里没有今天的1英里这么长。

不仅是古罗马人,中国古人和古印度人也很早就有了标准计量单位。而在欧洲一些地方。长度计量直到18世纪基本上仍是基于可变量。例如在英格兰,为了商业贸易的便利,英寸(1英寸约等于2.54厘米)这个单位是基于3颗大麦粒的长度。测量土地的一种长度单位——标尺是基于随机选定的16名男子的足长之和,再用足长之和乘以倍数来定义1英亩(1英亩约等于4047平方米)。在一些地方,农田面积的测量甚至是基于时间,例如一个人和一头牛在一天内可耕的土地面积。农田面积测量有时还取决于耕种的农作物大小。例如,种小麦的1英亩与种大麦的1英亩面积不等。

古埃及腕尺棒遗存。

有偏差的标尺

在无需精确化的时代,如此粗糙、确定性很差的计量方式并无大碍。但如果要基于长度或面积进行买卖、收税,让武器、机器的零部件能通用,或进行任何类型的科学调查,就需要统一的计量标准。18世纪末米制(十进制)在法国的问世,是人们长久以来追寻统一计量标准的结果。统一计量标准不再基于不同的人或不同的地方,而是要“所有时间、所有民族”都能通用。

拿著量尺的两名科学家(旧漫画)。制作合金米尺(1874年)巴黎天文台经络室地面上画着巴黎子午线

1790年,法国科学院建立了一个专门委员会来研究统一计量标准问题。该委员会由一些颇负盛名的科学家组成,其中包括波尔达、拉格朗日和拉普拉斯等。一年后,他们提出了一整套建议,其核心为十进制,其中的1米是北极与赤道之间距离的1000万分之1,而这根距离线必须经过巴黎。体积单位1升是基于由蒸馏水结成的一块冰立方(其长宽高都是1分米)的体积。质量单位1千克是基于1升蒸馏水在完全真空中的质量。

1792年,法国天文学家梅香和德朗布尔出发测量米,方法是调查法国敦刻尔克和西班牙巴塞罗那之间的距离。大约7年后,他们把测量结果呈递给法国科学院,后者用铂金制出了米尺。后来发现,这两位科学家在计算地球的曲率时有差错,导致法国科学院当时确定的1米长度比用北极和赤道之间距离算出的1米长度短0.2毫米。虽然这并不是一个很大的偏差,但科学家对此绝不会善罢甘休。不过,当时依然决定把这根铂金米尺作为标尺。尽管后来对1米的定义有多次改进,却基本上都未脱离这把标尺。

有X形截面的新米尺

巴黎公共场所米尺(1796年)的复制品

随着时间推移,越来越多的欧洲国家采用法国米尺作为长度标准。然而,尽管这些国家想尽量做到自己的米尺和法国标尺一样精确,却没有方法来核实是否如此。1875年,17国签署《米制协定》,决定召开度量衡大会,建立一个度量衡外交机构,负责维护一个与科学和产业进步同步的国际计量体系。

当时成立了一个政府间组织——国际度量衡局。该局位于巴黎郊外,它指导成员国重视度量衡学的重要性。该局是国际单位制的最终仲裁者,也是物理测量标准的制定者。千克是国际单位制中最后一个基于物体的测量标准(2019年5月20日,它被基于一个自然常量的新定义正式替换)。

在那次会议后,国际度量衡局决定制作新的米尺,并将其30个副本发给成员国。这把由铂和铱制作的新米尺,比只用铂制作的米尺耐用。新米尺不再是扁的,而是有一个X形的截面,以便更好地防止米尺在使用过程中的扭曲。新米尺也不是以两端长度为标准——新米尺的长度超过1米,而新米尺所确定的1米是米尺上两条平行线之间的距离。新米尺不仅更容易复制,而且哪怕米尺两端损坏了也不影响测量。采用新米尺的正规测量必须在标准大气压和冰的融点温度进行。

梅格斯测米方法

邮政局长与拿着米尺的女报务员(1870年画)。

新米尺的使用一直持续到了1927年。当时,由于一门新学科——干涉量度学(简称干涉学)在出现40年来中所取得的成就,科学家终于可以对米进行精准测量。采用干涉学技术,可通过让光波合并或互相“干涉”来操纵光波,从而精准测量波长(两个连续波峰之间的距离)。

這两幅示意图显示的是一台干涉仪的运作情况,其中每幅图中都有一个激光光源、一台分束器、一面移动镜和一台记录波型的探测仪。在一台干涉仪中,两束或更多束波重叠以产生“干涉图样”。干涉图样能提供波的详尽信息,例如波长。在图中经过简化的设置中,来自激光光源的一束光击中分束器,形成路径不同的两个光波。其中一个击中移动镜。随着移动镜向探测仪靠近,移动镜的位置会改变。如果一个波的波峰与另一个波的波谷重叠,这两个波就删除(左图)。反之,如果两个波的波峰重叠,就形成一个亮斑(右图)。1960~1983年.这台氪86灯被用于确定米。1960~1983年,这台氪86灯被用于确定米。

1927年,美国国家标准局提议用高能镉原子的干涉图样来确定一种实用的长度标准。这是有意义的,因为像标准米尺这样的国际测量器不可能被同时送到每个地方。另外,标准米尺的复制品再好,准确性也不如真品,因此复制品的测量结果不具有普适性。例如,块规(检验工具或工件长度的用具,是厚度极为精确的长方形金属块)是机械学中广泛采用的长度标准。但由于对机械师的加工精度要求极高,因此就算有块规,对机械师的测量结果进行校准的标准也很高。如果拿其他块规来校准,显然精度难以保证。而只要有合适的设备,各地的科学家都可能用镉测量出米。使用镉和氪的波长,可保证块规精度达100万分之1,这比以前的块规精度提高了3倍。

1945年前后,核物理学家用中子撞击金原子,将其转变为汞原子。美国国家标准局物理学家梅格斯注意到,把无线电波对准汞的一种同位素——汞198,会产生特定波长的绿光。1945年,他得到了少量汞198并开始实验。对汞198采用干涉技术,他在3年后提出了一种方便、精确、可复制的定义米的方法。他测量出了来自汞198的绿光波长——546.1纳米。1米可由这个纳米数的数十亿倍来定义。

1951年,美国国家标准局向科学机构和产业实验室分发了13台“梅格斯测米仪”。该局希望进一步提高这种QhveDVEW3RVhA3qj/Q6hqkE+8SCkuRGcDQsCS9iU/II=重新定义米的技术精度,但由于缺乏资金,该项目拖到1959年才完成。最终,汞被氪取代。德国计量研究院最早提出用氪的一种同位素——氪86来测定米,原因是不仅这种同位素在欧洲更容易得到,而且对当时的实验室测定来说能提供更高的精度。

1960年,第11届国际度量衡大会把1米重新定义为:“真空中特定辐射波长的1650 763.73倍,特定辐射对应的是氪86原子在能量水平2p10和5d5之间的跃迁。”换句话说,当氪86原子的电子进行特定的能量跃迁时,它们以波长605.8纳米的橘红光形式释放能量。把605.8纳米乘以1650763.73,就得到1米的长度。

用光速确定1米

但这个氪标准没能持续多久,这是因为美国国家标准局科学家很快就提出:准确测定宇宙中最快的速度——光速,才是确定1米长度的关键。我们最熟悉的光——可见光,在涵盖从无线电波一直到伽马射线的电磁波谱中只占一小部分。因此,这里的光速是指包括可见光在内的所有电磁辐射的速度。

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虽然光速快得令人难以置信,但光速也有限度,所以一旦知道了光速,距离就可以通过一个简单直白的公式来计算:距离是速度与时间的乘积。运用这一公式,再加上一些天文学方法,就能很好地测定我们与人造卫星和其他航天器,与月球、行星甚至更遥远天体的距离。光速也是全球定位卫星网络的基石,该网络通过测量无线电信号在人造卫星(配备有原子钟)和你的手机或其他装置之间飞行的时间来确定你的位置。确定光速也与另一种方法——激光测距密切相关。精确度超高的激光测距雷达,能被用来测定人造卫星的位置和监测地球表面情况。

几百年来光速测定一直很难搞定,但到了1960年,随着第一台激光器的诞生,科学家终于开始着手测定光速。激光的特点让它成为在测定光速方面的一种理想工具。高度准确地测量光的频率是测量光速的关键。光的频率,是指每秒通过一个固定点的波峰数量。一旦光的频率被准确得知,那么计算光速就只需用频率乘以波长。

1969-1979年,美国国家标准局科学家取得了激光频率测量方面的9大进展。其中,该局一个团队1972年对一种新激光的测量尤其值得一提,这种激光被稳定以释放特定频率的光。新激光与甲烷气体强烈作用,而类似的激光在相同频率下也能运作,因此实验可以重复。这种测量的可重复性和确定性远远高于1960年批准的确定1米长度的技术。通过这种新测量方式,光速被确定为每秒299 792 456.2±1.1米,这达到了之前被接受光速值精度的100倍——之前的光速每秒快了大约44米。

参与光速测定的科学家。

在这个光速新数值发布之前几个月,另一个团队通过运用微波炉调制来自氦—氖激光633纳米线的光。也得到了光速值。运用之前得到的氦—氖红线波长,他们算出的光速为每秒299792462±18米。

在这类进展的基础上,1983年的国际协定重新定义1米为“光在299792458分之1秒内在真空中穿过的路径长度”。这一定义也将光速最终固定在真空中每秒前进299 792 458米。至此,长度不再是一个独立标准,而是由极为精确的时间标准和新定义的光速确定。因为光速不变,所以在可以预见的将来这样的1米定义很难被挑战。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:44。
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