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“米”的变迁

2008-09-21本文被阅读过11269次[推荐][打印][保存][大字体][中字体][小字体]


从最初的铂棒到如今的光速依据,单位“米”的定义经历了数百年的起起落落。

国际米原器的两件复制品。


德朗布尔参与了确定“1米”究竟有多长的测量活动。


德朗布尔参与了确定“1米”究竟有多长的测量活动。

  现在,各国正在加紧研制国际千克原器。无论谁最终成功,有一点可以肯定,国际千克原器将还是一个实体,各国仍要到某个机构校验自己的测量仪器。为什么要追求那么高的精度呢?各国又在追求精准测量方面,又有什么有趣的故事呢?

  精确计量不遥远

  国际计量局规定,无论是“阿伏加德罗”方案还是“瓦特平衡”方案,只有和1889年的国际千克原器(IPK)的质量差距不大于10-8千克(相当于0.2毫克)时,才有可能替代目前的IPK,为什么要这么准确呢?

  中国计量科学院首席研究员张钟华说,在菜市场买菜是不需要这么精确的质量标定的,但是卖菜用的秤需要用“公平秤”标定,而公平秤需要更“公平”的秤标定,这样一层层上去,最终的标准是IPK。而在微小量测量上,千克标准的精确度就有更重要的意义。

  比如热力学温标“开尔文”这个单位的定义是“水的三相点热力学温度的1/273.16为1开尔文”,水中可能含有同位素“重水”,这种物质有多少量只能通过称量知道,而它的含量会对水的热力学温度产生影响。天然水中,重水的含量约占0.015%,量器不准是找不到它们的,所以千克原器对热力学有重要意义。

  中国是如何从国际计量局得到标准数据,又如何把数据传达给需要的部门呢?张钟华说,各国什么时候愿意去比对IPK都可以。比对的结果出来之后,他们会给有些部门下通知,告诉他们修正值。这些部门的砝码都可以与中国计量科学研究院和IPK的复制品比对。如果有误差,只要加减一个修正值就可以了。

  何为“一米”,来之不易

  近代科学的发展是和计量的发展紧密联系在一起的,在力学三大基本单位———秒、千克、米中,“米”的身世最传奇。

  18世纪90年代末,法国科学院把统一长度单位的问题交给有史以来最强大的一个科学委员会来处理。该委员会由拉格朗日、拉普拉斯、拉瓦锡、蒙日等人组成。在科学委员会1791年3月19日提交给科学院的报告中,他们建议以赤道与极点的海平面距离的千万分之一为一米,并得到通过。

  18世纪的子午线测量工程就像我们今天的空间计划或者大型粒子加速器一样浩大。显然,当时还无法测出从北极到赤道整个90度的经线长度———因为还没有人去过北极。他们决定测量从敦刻尔克到巴塞罗那的距离,跨越了从北极到赤道的经线距离的1/10。

  调查的任务交给了天文学家梅尚(Pierre Méchain) 和德朗布尔(Jean Delambre)。然而在9月,法国第一共和国成立,法国大革命进行得如火如荼。有一次德朗布尔被抓住了,他被强迫按照共和党的方式在开赴战场的志愿者前为自己辩解。他的三角学讲座并没能打动军队,好在他被一个官员以保护性拘禁的方式从暴民手中解救出来,而且最终在国民议会的命令下被释放。之后委员会成员拉瓦锡被处死,科学委员会认清了形势,开始投入到对旧计量制度的革命性批判的工作中。

  1795年4月7日一道建立新计量名称的命令使科学委员会重新开始运转,测量计划也被要求重新开始。在1798年11月28日法国召开了一次由盟国及附属国的专家参加的国际会议,确定了子午线的长度和米的长度。现在,借助卫星可以比较容易的测出地球经线的长度,得出的结果实际上比90度经线长度的千万分之一要短1/5毫米。

  从铂棒到光速

  1795年,曾经为法国王室工作的珠宝商制作了一批铂棒。其中每一根的长度都为1“临时米”、厚4毫米、宽25.3毫米,两端面平行。计量专家从中挑出0℃时长度最接近“1米”的计算值的,于1799年6月22日被放置在国家档案馆,便是众所周知的“米原器”。公制于1799年12月10日获得立法确认。1874年,科学家们又用更加坚硬的铂铱合金制作了新的“1米”长合金棒,这种合金后来被称为“1874合金”。这个合金棒在1889年举行的第一届国际计量会议上被宣布为“国际米原器”(IPM)。

  用铂棒定义米既不方便,也不稳妥。1960年第11届国际度量衡会议(CGPM)的决议称,“国际米原型所定义的标准米的精度已不适合当今计量学的需要”。该决议对“米”进行了重新定义:“真空中氪86原子从2p10跃迁到5d5能级时所发出辐射波长的1650763.73倍”。

  不久,科学家们对这一定义也产生了不满。他们开始考虑以光速来作为“米”的判断标准。1975年第15届CGPM确定光速的推荐值是每秒299792458米。所以,1983年第17届CGPM又以真空中的光速重新定义了米,即1米等于光在真空中于1/299792458秒时间间隔内所经路径的长度。在米的定义中的应用使光速成为目前测量精度的极限。

  因此,“秒”这一在1791年曾被认为是过于武断的定义,重新成为米的基础。

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