在(zài)日常生活中人們為估測長度(dù)或距離,習慣用手比一比(bǐ)或跨步量一量。據中國古書記載(zǎi),“布指知寸,布手知(zhī)尺,舒肘(zhǒu)知尋,婦手(shǒu)為咫,人身為丈”,“舉(jǔ)足為跬,倍(bèi)跬為步,邁步為畝”。這裏的寸、尺、尋、咫、丈、跬、步等(děng),實際上(shàng)就是長度計(jì)量單位。眾多的單位直到(dào)公元前221年,秦始皇頒(bān)布“一法度衡(héng)石丈尺”命令和(hé)詔書後才得以統一。
我(wǒ)們的祖先早在漢朝就利用自然規律建立了度量衡標準,它們在原理上(shàng)與米的現代定義相(xiàng)近(jìn),而在時間上(shàng)卻比西方早約二千年,令世人驚歎(tàn)不已。
米(m)是國際單位製中(zhōng)表示長(zhǎng)度的基本(běn)單位。提高米的(de)測量準確度不(bú)僅對(duì)於物理學、天(tiān)文學等基礎學(xué)科(kē)有重要意義,而且也促進了大(dà)地測量、空間技術、納米技術等(děng)的發展和進步(bù)。
米(mǐ)的最初定(dìng)義是由1791年法國國民代表大會確定的,一米(mǐ)等於地球子午線1/4長度(dù)的一千萬分(fèn)之一。“米”來源於古希臘文,意為(wéi)度(dù)量。當時認(rèn)為子午線(xiàn)長度是固(gù)定不變的,所(suǒ)以米及由米確定的千(qiān)克和(hé)升(shēng)也固定(dìng)不變,從而形成一種(zhǒng)基(jī)於自然不變的(de)“米製”。
1799年,根據度量子(zǐ)午線弧長的結果,用燒結鉑製成了體現端度(dù)基準(zhǔn)的米原器並保存在巴黎檔(dàng)案局,這就是最早的“檔(dàng)案米”(後來證明它的實際值比定(dìng)義值短約0.2毫米)。
國際計量局(BIPM)據(jù)此複製了30個(gè)鉑(90%)銥(10%)合金製的(de)X型(xíng)線紋基準米(mǐ)原器。1889年經第一屆國際計量(liàng)大會(CIPM)批準,從中選出(chū)了(le)一個作為國際米原(yuán)器,留出數個作為工作原器,而把其餘的分發給(gěi)米製公約成員(yuán)國作為國家基準。這時(shí)的米(mǐ)被定義為,國際計量局保存的(de)國(guó)際米原器上,兩端刻(kè)劃(huá)的(de)中間刻(kè)線(xiàn)的軸線在00C時的距離。此定義(yì)實際上是由後來(lái)第7屆國際計量大會(huì),1927年,認定的。可(kě)以(yǐ)說這是米定義的第一(yī)次變遷。
國際米(mǐ)原(yuán)器的準(zhǔn)確度為0.1微(wēi)米,即(jí)千萬分(fèn)之(zhī)一(1×10-7)。到20世紀(jì)中葉,這(zhè)個準確度已無法滿足精密機(jī)械製造業(yè)和計(jì)量學發展的需要。於是有人提出用原子輻(fú)射波長值取(qǔ)而代之的建議(yì),因為它是一種固定不變(biàn)的自然基準。不(bú)久發現新研製的氪-86低壓氣體放電燈,在一(yī)定條件下(xià)輻射(shè)出(chū)的(de)橙黃光譜的真(zhēn)空波長值是個“定值”。1960年第11屆國際(jì)計量大會決定廢除(chú)國際(jì)米原(yuán)器,將(jiāng)米定義(yì)為,氪-86原(yuán)子的2P10和 5d5能級之間躍過所對應輻射在真空中波長的1650763.73倍。這樣米的準(zhǔn)確度(dù)達到十億(yì)分之四(4×10-9),它意(yì)味(wèi)著(zhe)在1000公裏(lǐ)的長(zhǎng)度上誤差(chà)僅為4毫米。這是米定義(yì)的第二(èr)次變遷(qiān)。
幾乎與此(cǐ)同時,一種方向(xiàng)性好、亮度高、單(dān)色性強(相幹(gàn)能力強)的激光問(wèn)世,其特性(xìng)優於任何已有的(de)光源。隨著穩頻(pín)和伺服技術的發展和應用,又使激(jī)光器輸出頻率的穩(wěn)定性和(hé)複現性提高到百億分之一(1×10-10),而後測得的(de)真空中(zhōng)光速值(zhí)為(wéi)299792458米/秒,其(qí)準確度(dù)也比過(guò)去提高了(le)100倍(bèi)。
在這種背景下,1975年第15屆國際計量大會提出,米定義可以通過光速表示,並認為光速值(zhí)保(bǎo)持不(bú)變對天文學(xué)和大地測量具有(yǒu)重要意義。這就是(shì)說,光速值不再是(shì)可(kě)測的量,而是(shì)固定不變的常數,長度則可(kě)以建立在光速為常數的基礎上(shàng),通過時間或頻率確(què)定(dìng)。1983年第17屆國際計量大(dà)會將米定義為,光在真(zhēn)空中,在1/299792458秒時(shí)間間隔內所行(háng)進路徑的長度。這是(shì)米(mǐ)定義(yì)的第三(sān)次變遷。
新定(dìng)義的米(mǐ),可以(yǐ)通過時間法(fǎ)、頻率法和(hé)輻射法來(lái)複現。時間法(fǎ)利(lì)用光行進的時間來測量(liàng)長度,主要用於天文學和(hé)大地測量學。頻率法利用光(guāng)的頻率(lǜ)來測量其真(zhēn)空波長,故在準確度方麵潛力很大(dà),但在實際(jì)應用(yòng)中尚需建立激光(guāng)波長(zhǎng)基準。在(zài)輻射法方麵,1993年國際(jì)計量委員會推薦了8種穩頻激光器輻射的標準譜(pǔ)線頻率(波長)值,作為複現米(mǐ)定(dìng)義的(de)國際標準。
由於目前還沒有一種光電接收器能夠響應可(kě)見光頻率,所以尚需分波段研製多個穩頻激光器作為基準。穩頻激(jī)光器輻射(shè)頻率(lǜ)的測量準確度(dù)仍在不(bú)斷改進中,比如(rú)目前常用(yòng)的碘吸(xī)收633納米氦氖(nǎi)穩頻激光器的複(fù)現性,已在1×10-10的基礎上(shàng)又提高(gāo)了(le)約一個數量級。因而,在光頻範圍內米有(yǒu)可能建(jiàn)立頻率(lǜ)標(biāo)準,這無疑(yí)將促進原子物理學、分子物理及高分辨率激光光譜學的發展(zhǎn)。兩個世紀(jì)以來米定義的變遷,既(jì)反映了科(kē)技進步對計量學發(fā)展(zhǎn)的推動作用,也反映(yìng)了計量學發展對(duì)科技進步的反作(zuò)用。
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