【分享】近代计量学的发展

一、近代计量学和米制的创立

　　16世纪末近代科学开始兴起。17世纪30年代，近代物理学之父意大利科学家伽利略做了著名的落体实验和斜面滑球实验，论证了自由落体运动是匀加速运动，物体下落的快慢与物体的质量无关，斜面上小球运动速度与时间成正比，运动距离与时间的二次方成正比。1653年，法国物理学家帕斯卡发明了帕斯卡定律，1663年，英国化学家、物理学家波意尔创立了波意尔定律。英国物理学家牛顿，在开普勒定律的基础上，于1685年完成了万有引力定律和机械运动三定律的论证和描述，建立起完整的经典力学体系。牛顿力学对热学、电磁学等的研究产生重大影响，也为近代计量学的创建和测量技术的发展奠定了基石。在近代物理学实验过程中，逐步确立了许多物理量，如:质量、力、长度、能量、速度、时间、加速度、压力、温度等；创造了许多测量仪器和装置，如天平、温度计、脉搏计、望远镜等。但是，科学家们都越来越受到多种物理量单位制的杂乱和无规律的扰乱，无法准确地交流他们的实验结果，迫切需要确立能在国际间通用的物理量单位及其标准。定量研究热现象的第一个标志是测量物体的温度。1593年，伽利略利用空气受热膨胀和遇冷收缩的原理制作了以空气作为测温物质的第一支温度计，但没有固定的刻度。此后，又出现了以酒精或水银为测温物质的玻璃温度计，但因重复性不够好，并未形成测量标准。1665年荷兰物理学家惠更斯提出以冰或沸水的温度作为计量温度的参考点。1703年，丹麦学者罗默则选用冰、水和食盐的混合温度作为零点。1714年，德国物理学家华伦海脱首先用水银制成了数值稳定的温度计，水银的使用大大扩展了测量范围，他选定了两个参考点:以氯化铵与冰水混合物的温度为零华氏度，以人体的温度为96华氏度，中间分为96等分。后来，又作了调整，以水的沸点为212华氏度，纯水的冰点为32华氏度。调整后的人体温度为98.6华氏度，至今一些西方国家仍沿用这种华氏温标。1742年，瑞典物理学家摄尔西斯，提出了一个新的测温系统，以水银为测温物质，将水的沸点定为零摄氏度，冰点定为100摄氏度，成为百分度的温标。8年以后，他的同事建议把标度颠倒过来，这就是著名的摄氏温标，至今仍得到国际上的广泛应用。测温单位和温标的建立，充分说明近代物理学促进了近代计量学的发展。

　　另一方面，在17世纪和18世纪期间，欧洲一些国家沿用各种不同的法定度量衡单位。法国于15世纪末，以利佛(livre，约合490克)为重量单位，1670年前后，又使用脱瓦斯(Toise，约合1.95米)为长度单位，1/6脱瓦斯为1(法国)尺(pied，约合32.5厘米)。1603年，英国使用磅(pound，约合454克)，1/16磅为1盎司(ovnce，约合28.35克)；码(yard，约合0.9144米)，1/3码为1英尺(foot，约合30.5厘米)，1/12英尺为1英寸(inch，约合2.54厘米)。这和欧洲当时迅速发展的工业、贸易和科学技术交流的需要极不适应。

　　从18世纪50年代起，法国科学家们开始寻找一个适用于世界各国的通用单位，以便以它为基础得到一种在所有国家都能使用的计量单位制。1790年，法国国民议会责成科学院组成计量改革委员会。次年，委员会提议以赤道到北极的子午线的千万分之一为基本长度单位，并成立了测量子午线、计算、试验摆的振动、研究蒸馏水的重量以及比较古代计量制度五个小组。1793年，委员会又提议使用已有的测量结果尽快建立新的计量制度。1795年4月7日，国民议会颁布新的度量衡制度:采用十进制；米的长度以自北极到赤道段经过巴黎的子午线的一千万分之一为标准；质量单位以1立方分米温度为摄氏4度纯水在真空中的质量。1799年，测绘学家的大地测量工作最终完成，铸出了纯铂米和千克原器。同年12月10日，颁布法律确定米和千克的值。1801年，政府下令改用新制，但遇到许多阻碍，至1812年，拿破仑·波拿巴废新复旧，以顺民情。其后科学文化日进，1837年7月4日的法令终于确定法国从1840年1月1日开始实行“米制”。为纪念这一盛事，制作了纪念章，如图1所示。上面写着:“永远为人类服务”。“米”是近代计量学中第一个以自然物为基准的单位，法国政府和法国科学家从提出方案、测量子午线到制作米原器和千克原器，以至在全民中通行米制单位，前后用了50年时间，为计量学的发展做出了重大贡献。

二、从《米制公约》到国际单位制的建立

　　19世纪初期，英国工业革命蓬勃发展，法国也开始了工业革命，从19世纪70年代起，德国发生了以电力的广泛使用为标志的第二次工业革命。19世纪的自然科学经历了突飞猛 进的发展，科学家受牛顿力学的影响，在实验科学中取得许多重大突破，如:焦耳定律、卡诺热循环理论、安培电流定律、法拉第电磁感应理论、麦克斯韦电磁场理论、拉瓦锡氧的发现和氧化学说等。相继建立起热力学、电磁学、化学等学科并得到了技术应用。数学长足进步，不断推出新概念和新方法。天文学、地学有很大发展。光学、生物学、有机化学也随之兴起。科学的进步为计量学发展奠定了理论基础。

　　19世纪初，米制开始向世界普及。1820年，米制先由欧洲几个低地国家(荷兰、比利时、卢森堡)所采用，接着西班牙、哥伦比亚、墨西哥、葡萄牙、意大利以及很多其它国家相继采用。1851年，第一届万国博览会(世界博览会)在伦敦举办。会上，展出的巴黎工艺院米尺，参观者及见此精良制造之尺，十分惊喜，认为必须有统一的度量衡制，才能对陈列品比较其优劣、评定其价值。1855年，在巴黎的一次国际会议上，与会者创议设立度量衡研究会，推行米制。同年，巴黎万国工艺博览会审查委员会开会讨论实行米制办法，要求委员们“各尽心力，劝告本国政府及有识之士，推行米制，以谋公益”。1864年，英国允许米制单位同英制单位并用。同年，德国也全部采用米制。1867年，巴黎世界博览会期间，在世界工业巨大发展的强烈影响下，一批科学家创建了度量衡和货币委员会，专门研究和推动两者的世界统一任务。可见当时统一世界计量单位制已是大势所趋。1869年，法国政府邀请许多国家派代表参加“国际计量委员会”。1870年8月，有24个国家派了代表到巴黎开会，后因普法战争会议中止。1872年，由30个国家的代表继续开会，再次肯定上次会议关于制造米和千克新原器并向各与会国提供复制品的决议。1875年3月1日，法国政府召开“米制外交会议”。5月20日，17个国家的全权代表签署了《米制公约》，决定成立国际计量局(BIPM)，这是计量学走向国际统一的里程碑。

　　1875年《米制公约》签订以后，新成立的国际计量局在“国际计量委员会(CIPM)”的领导下集中全力准备米和千克原器和各种复制品的制造工作并筹备第1届国际计量大会。1889年，第1届国际计量大会(CGPM)召开。会议明确“议定必要的措施，并督促实施，以保证米制的现代形式——国际单位制的普及和改进”为它的主要任务。就在这次会上，批准了米和千克两个单位的定义:
1.长度单位米的定义:“长度的单位是米。规定为国际计量局所保存的铂铱尺上的两条中间刻线的轴线在0°C时的距离，这根铂铱尺已被国际计量大会宣布为米原器，保存在标准大气压下，放在两个对称地、置于同一水平面上并相距571毫米的直径至少为1厘米的圆柱上”。

2.质量单位千克的定义也在这次大会同时通过，采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克的定义。1901年，第3届国际计量大会进一步明确作了以下规定:
　　(1)千克是质量单位，它等于国际千克原器的质量；
　　(2)“重量”一词表示的量与“力”的性质相同；物体的重量是该物体的质量与重力加速度的乘积；特别是，一个物体的标准重量是该物体的质量与标准重力加速度的乘积(这条规定现已不再适用)。质量单位最初的定义也源于米，千克砝码是根据1立方分米水在密度最大时的的质量制作的。当然米尺和千克砝码在1889年得到国际计量大会正式批准后，已成独立的定义，不再依赖于地球子午线的四千万分之一的长度和1立方分米水的质量。

　　长期以来，时间单位秒的定义也依赖于地球。第一次定义是在1820年，科学家根据观测地球自转和绕太阳公转的周期来确定时间，因为人们的计时习惯是与1昼夜时间密切相关的，而一年中每个昼夜的长短各不相同，故用平均的昼夜时间即平太阳日进行定义，即
　　1秒=1平太阳日/86400
　　这样定义的秒亦称平太阳秒。在随后的约一个世纪内，均未发现地球自转的不稳定性。1930年，出现了振荡周期非常稳定的石英晶体振荡器，由此发现了平太阳秒的变化约为1×10-8量级，即一昼夜约有1ms的变化。为了避免地球自转和公转不均匀对秒定义的影响，因此于1960年对秒作第二次定义时，是用1900年的回归年，即历书上的特定的回归年进行定义的，即
　　1秒=1回归年/31 556 925.9747
　　这样定义的秒，亦称历书秒，比第一次定义的准确度高一个量级，达到1×10-9。1901年，在电磁学发展并得到广泛应用的背景下，意大利的G. G. 乔吉倡导建立米、千克、秒单位制与一个实用的电单位(例如电压或电阻单位)结合起来，建立以四个基本单位为基础的一贯单位制。1921年，第6届国际计量大会修订了《米制公约》，确定了建立和保存电学单位基准，并组织各国的基准比对。

　　在此期间，由于热力学和测温技术的发展，已开始了建立温度标准的工作。在18世纪华氏温标和摄氏温标的基础上，1824年，法国工程师卡诺(S.Carnot)提出了热机中的卡诺循环原理。1848年，英国物理学家汤姆逊(W.Thomson)用卡诺循环中热功与温度成正比的公式，提出了建立热力学温标的方案，并以复现性很好的水的三相点为参考点。1854年，开尔文建议用上述方案建立热力学温标。1840年，美国的爱迪生发明了电灯，人类在生产和生活上逐渐进入一个电气化的新时代。1860年，英国率先规定了发光强度的单位，这是在电灯发明前所规定的标准光源——烛光，即采用一支标准蜡烛的发光强度作为单位，称为烛光(candel)。1909年，美、英、法等国决定用一组碳丝白炽灯代替蜡烛成为发光强度的国际标准，取名为国际烛光。

　　由此可见，从19世纪中期至20世纪初期的半个多世纪内，在一批物理学家和工程技术名家的共同努力下，已先后建立起长度、时间、质量、电单位、温度和光度等6个单位的国际标准，为今后建立更加完善的国际单位体系奠定了良好的科学基础。

　　1948年，第9届国际计量大会确定了以电流单位(安培)作为第四个基本单位，而电压和电阻单位作为导出单位，但可以作为复现电单位的根据。

　　1960年，第11届国际计量大会将基于米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉等6个基本单位的单位制命名为国际单位制(SI)。1971年，第14届国际计量大会又通过了物质的量的单位——摩尔的定义，并决定摩尔为国际单位制7个基本单位之一，使以7个基本单位为基础的国际单位制得到了进一步完善。