計量測試技術在推動人類文明進步中發揮了巨大作用，在科技、經濟和社會發展中有著舉足輕重的地位。
說到計量，人們自然而然地會提到測量長度的「尺」或稱重的「秤」等計量器具。不過，這類器具只是計量技術應用的一部分。自古以來，計量早已融入並植根於人們生活的各個方面。它不僅與科學發現、科學技術研究密切相關，還與知識形成、國家治理、生產力發展、生活質量提高、文化繁榮、社會文明等人類活動的各個方面休戚與共、相伴而生。計量測試技術的應用範圍之廣，對人類影響之深可稱之「最」。如果離開了計量，人類文明將停滯不前，人類的生產、生活和社會秩序都將難以想像。
計量的起源與發展
今天所講的「計量」，古時稱「度量衡」，其中包含測量單位、測量工具(器具)、測量方法以及相關法律制度等。新中國成立後，我國政府將「度量衡」更名為「計量」，其應用範圍更加廣泛，功能和作用更加全面。
計量是保證測量單位統一和量值準確可靠的活動，而測量則是人類與生俱來的一種能力。人的五官、四肢、皮膚等都具有測量的功能。人們通過對外部世界的測量與觀察，不斷深化對自然的認識，進而積累經驗，發現規律，並逐步建立起人類知識體系。要實現準確的測量，通常需要先建立一個用於測量的參照物，又稱計量標準。沒有這種參照物，人們就無法準確獲得並描述遠或近、長或短、輕或重、冷或熱等測量的結果。如今所稱的「計量標準」，實際是由法律確定並提供人們在測量中共同遵照的普適標準。人類早期使用的測量標準多以人的肢體或某種穀物為代表，最初在出現文明萌芽的群體或部落中使用。當人類開始從事生產和貿易活動後，這類標準的應用範圍開始擴大，其可量化的特點被更多族群接受，進而被王權或神權賦予其法律地位，成為一個國度公認且具有權威地位的測量標準，並逐漸演變為歷代政權統治、生產、貿易和國家賦稅的重要工具。在北京故宮的太和殿前，陳設著測量時間的日晷和測量容積的嘉量，就是歷代封建王朝象徵國家一統的權威重器，也證明我國古時度量衡的崇高地位。
現在，人們會常用到「科學」一詞。在我國古代最早一部字典《說文解字》裡，對「科」字的解釋是「從禾從鬥，鬥者量也」，「科學」就可解釋為「關於測量的學問」。雖然這個解釋不夠全面，但是與今天人們對「科學」的釋義有一個共同點，即只有被測量驗證的預言、假說或推論才可以真正進入人類知識體系，才能被稱為科學理論。正如「化學之父」門捷列夫所說：「沒有測量，就沒有科學。」
考古發現，現今伊拉克的底格裡斯河和幼發拉底河流域曾有過一個「蘇美爾」民族，遺蹟距今已超過6 000年。當時，蘇美爾人已經使用「肘尺」作為長度測量標準，還建立了測量穀物、酒、油容量的專門量具。蘇美爾文明之後，早期的測量標準逐漸在古埃及、古印度等文明發源地流傳，後來又被其他國家或民族廣泛使用。
中國是人類文明發源地之一。相傳在先秦時期，華夏民族宮廷樂器就使用一種「黃鐘律管」來定音。據考古研究，黃鐘律管不僅是樂曲，還是當時集尺度、容量和權衡為一體的測量標準。《漢書?律曆志》記載了「虞書日『乃同律、度、量、衡』，所以齊遠近、立民信也」，意指只有統一律、度、量、衡，才能取得遠近國家和老百姓的信任。2011年，漢代海昏侯墓中首次發現了兩件玉制的黃鐘律管，正是當時國家法定的律、度、量、衡的基準器。
我國是最早進入農耕時代的國家。隨著古華夏生產力水平提高和商品貿易擴大，早期計量測試技術的應用已經十分廣泛。《孔子家語》中就提到了「布手知尺」「布指知寸」「舒肘知尋」「掬手為升」等多種測量方法。考古發現，早在新石器時期，我國先民已經掌握了用準確測量方法製作生產工具和陶器。在夏商周時期，相傳大禹治水時曾動員大量人力開挖水渠，因沒有長度測量標準，工程難以進行。大禹就用自己身高、體重作為測長、測重的標準，創造出規(測圓)、矩(測方)和準繩(測長)，終於完成了治水工程。到了戰國時期，統一國家測量標準已成為各國變法改革的迫切願望，當時的權衡、方升、圭表等成為國家法制管理重器，也成為政權統治不可或缺的手段和工具。
早期出現的計量標準與人類文明的起源基本吻合，直到2019年國際上最後一個實物「質量千克基準」退出歷史舞臺，以人為本的實物計量標準實際已歷經了萬年之久。計量標準的演變大致經過了4個階段。
第一階段在新石器時代出現，其特徵是用人體或特定實物為參考標準。例如，英制計量單位的「英尺」，最初是用英王的腳長作為標準，至今英尺仍用「foot」表示。在我國古代，長度、容量等計量標準通常將特定穀物以數量排列作為標準。例如，漢代長度標準是按主要糧食作物黍和粟排列來確定的，當時100粒黍子橫排約合現今23釐米，與漢代尺的長度基本相當。
隨著生產力發展，早期以人體或實物作為計量標準已不能滿足準確測量的需要。因此，人們轉而尋找變化更小、更穩定的宏觀自然物作為測量標準。計量標準的演變進入第二個階段。最先用宏觀自然來定義的是「時間」。人類通過幾千年日積月累地觀察和測量，逐步發現地球、太陽、行星等天體運行的基本規律，並按地球、太陽的運行規律來測量「時間」。早期計時工具為水漏或沙漏，此後又演變為用日影或月影來標定時間和節氣。
18世紀以後，法國人開始採用地球子午線長度作為長度「米」的標準，還用4 ℃時1立方分米水的重量來定義質量「千克」，從而建立了更加穩定、精確且可供全人類使用的測量標準。20世紀後，隨著物理學研究不斷深入，逐漸由宏觀自然轉向了物質微觀領域，計量標準進入第三個發展階段。1960年，長度「米」和時間「秒」兩個基本物理量單位率先採用了物質內部運動規律的定義，使人類測量準確度出現了驚人的飛躍。例如，用原子時取代了天文時後，測量準確度從原來每30年誤差不到1秒提高到幾千萬年誤差不到1秒，為人類進入深空探測和邁向資訊時代奠定了十分重要的基礎。
不過，在計量測試技術蓬勃發展中，按原子運動規律定義的計量標準很快被一種新的路逕取代，發生了計量標準發展的第四次轉變。1983年，人類首次將長度「米」的定義與光速(即自然常數c)聯繫起來。此後，科學界又經過30多年努力，到2018年11月13日終於實現7個基本物理量單位的全面量子化定義。這是一個具有劃時代意義的事件，計量標準從此將從根本上消除人為因素或自然災害帶來的影響，邁向廣漠宇宙和大自然泛在的新時代。
計量測試技術的歷史貢獻
●我國古代的先進計量測試技術
與其他文明古國不同，中華民族5000年文明史之所以沒有斷代，其中很重要的原因是我國最先統一了度量衡制度。戰國時期，秦國秦孝公即位後決心圖強改革，商鞅從衛國入秦後，向秦孝公提出廢井田、重桑農、獎軍功、統一度量衡等變法改革策略，深得秦孝公信任。在商鞅變法前，秦國各地度量衡制度混亂，秦國很難有效徵收稅賦。商鞅專門製造出統一的度量衡器具，並刻上秦孝公監造銘文，以官方器物形式發放到全國，解決了徵收稅賦的難題。商鞅變法後，秦國經濟得到迅速發展，一躍成為戰國後期經濟和軍事最強大的國家，為後來秦始皇統一中國奠定了基礎。如今，上海博物館的鎮館之寶之一「商鞅銅方升」，就是「商鞅變法」時期的一件重要歷史證物。
公元前221年，秦始皇統一中國並實行中央集權，頒布了「車同軌、書同文、統一度量衡」的詔書，這是一件載入史冊的歷史事件。在秦始皇統一度量衡制度後，中華民族的經濟、科技和生產力都出現了巨大發展，中華民族從此進入史無前例的興盛時期，立足於世界民族之林超過了1500年。
在我國5000年文明史中，湧現出許許多多計量測試技術的重大發明創造。在近現代考古中出土的商代骨尺、戰國銅矩尺、周公觀測日影的天文遺址、春秋時期銅權、戰國的銅釜、戰國時期楚國竹衡桿秤和銅環權、秦代的陶量、西漢的銅漏，以及唐代以後張衡水運渾象儀和地動儀、指南車與記裡鼓車、郭守敬的高表測影、元代的漏刻、明代的戥秤、鄭和下西洋的航海儀器等，反映出我國古代計量測試技術在世界的領先地位。其中，有兩件舉世矚目的國之瑰寶。一件是1992年東漢墓考古出土的西漢新莽始建元年的測長工具「銅卡尺」，比西方人發明卡尺早了1000多年，被國外列入「改變世界的100項發明」之一。另一件是現今保存在我國臺北故宮博物院的「新莽銅嘉量」。這件器具是公元9年製造的，用一個器具可以對「龠、合、升、鬥、斛」5個量進行測量，是一件還原我國古代計量測試技術高度發達的珍貴文物。
西漢時期，隨著國力不斷增強，我國對外貿易日益增長，形成了橫跨歐亞大陸的「古絲綢之路」，並延續了1500年之久。據文獻記載，古絲綢之路沿線有不少國家當時在貿易中就採用了我國的度量衡器具開展交易和結算。毛澤東同志曾說，「百代皆行秦政治」，精闢地概括了我國幾千年文明與秦代政治制度和法律的關係。我國歷史上多次改朝換代，但在新王朝建立時，多會改變度量衡單位，目的是摧毀前朝政治體制。可見，「計量單位制」對建立、維護和鞏固政權都具有重要作用。
●西方計量測試技術的發展
西方文化和科學技術多以實證為基礎，計量測試技術不僅是科學發現的主要手段，也成為驗證科學理論不可或缺的方法。在史前，西方人已開始對自然進行各種測量和觀測，最初採用的參照標準多以人體或實物為代表，與我國最早的度量衡形態相似。例如：英國曾以英王亨利一世鼻至指之間的距離定義一個長度單位;德國則以最先走出教堂的16個男子腳的1/16作為一個長度單位。
西方宗教信仰多崇拜太陽，因此，西方曆法也稱「太陽曆」。在古代，西方學者和佔星家為了開展天文觀測，發明了許多用於測量和觀測天象的儀器或工具。例如，在文藝復興時期，義大利天文學家哥白尼為了證明並推翻託勒密的「地心說」，曾在1497年3月9日利用「捕星器」和「三弧儀」等儀器準確測定並獲得了金牛座亮星「畢宿五」隱沒的時間數據。哥白尼在撰寫的《天體運行論》中，觀測計算所得的恆星年時間與現在精確測量的結果誤差在百萬分之一，他通過測量獲得了月球到地球的平均距離等與現在精確測量的結果誤差僅為萬分之五。在哥白尼後，義大利科學家伽利略發明了擺針、溫度計和天文望遠鏡，開創了以實驗事實為依據的近代科學理論體系，也為之後牛頓建立物理學理論體系打下基礎。
在西方自然科學理論形成過程中，古希臘著名學者亞里斯多德的學說長期佔統治地位。由於亞里斯多德在天文學、物理學、哲學、文學等領域都作出非凡貢獻，影響力巨大，在他死後的近千年裡，西方竟無人能超越。直到17世紀後半葉，在英國終於出現了一位偉大的科學家——牛頓。牛頓在《自然定律》中描述了萬有引力和三大運動定律，不僅為此後3個世紀物理世界的科學觀點奠定了基礎，也成為現代工程學的重要基礎。牛頓的物理學理論源自他在測量中的發現。由於牛頓的科學發現和理論引入了物理量的概念，人們把牛頓物理學又稱為「關於測量的科學」。在自然科學史中，計量科學與物理學相伴而生，並成為物理學的重要分支。近現代計量科學的研究成果也對物理學革命產生了重要的推動作用。牛頓發現，引力服從於一個普適定律：「中心相距某一距離的兩個質量之間的力與兩者中的任何一個的質量成正比，並與它們的中心之間的距離的平方成反比。」這個比例常數在宇宙任何地方應該是相同的。牛頓建立的引力常數對此後計量單位定義產生了極為重要的影響和作用。
如果說亞里斯多德是西方的科學先驅，哥白尼的「日心說」構建起西方國家的近代科學體系，那麼牛頓在物理學領域創建的理論和成果則是載入人類史冊的最偉大科學成就之一。在牛頓奠定物理學理論基礎後不久，西方就爆發了第一次工業革命，出現了理論、知識、發明創造、技術應用與生產力和地區間貿易共同發展的宏大場景。19世紀電磁理論應運而生，進一步拓展了人們認識自然的視野，也為各國統一測量單位和建立高準確度計量基準奠定了重要的基礎。
在18世紀以前，法國各地區有上百種不同的計量單位，嚴重影響國內貿易。直到法國大革命前後，法國才建立起統一的長度計量標準，稱為「米」。法國建立的「米」是一把用合金材料製作的尺，定義為地球子午線的四千萬分之一。法國人明智地把「米」的定義與地球子午線的長度聯繫起來，使長度測量標準對應到更穩定的地球上，也使長度測量的準確度顯著提高，這不僅為第一次工業革命建立了統一、精準的測量標準，也為20世紀出現的經濟全球化浪潮奠定了基礎。
1875年5月20日，17個國家在法國巴黎籤訂了《米制公約》，法國人創造的「米」和「千克」從此成為通行世界的「國際單位」。到2019年，「米制公約組織」成員共包含193個聯合國成員中的109個，囊括了所有工業化國家和主要貿易國，成員的國內生產總值之和佔全球總值的98%。為了讓公眾進一步了解計量，鼓勵並推動各國計量領域發展，加強各國計量交流與合作，1999年10月舉行的第21屆國際計量大會根據計量科學家的提議，決定把籤訂《米制公約》的5月20日命名為「世界計量日」。
計量測試技術改變世界
計量測試技術以精準測量為目標，它的每一項微小進步，都可能對世界未來產生深遠的影響，並可創造巨大的物質和精神財富。在此，僅以20世紀以來取得的部分計量測試技術成就來展示它給世界帶來的改變。
●現代物理學的支柱——量子力學
在量子理論出現以前，牛頓經典物理學理論一直在自然科學領域佔統治地位。但是，經典物理學理論主要揭示宏觀物理現象，卻無法解釋物質在微觀領域的運動規律。直到20世紀初出現的量子力學理論，才從根本上改變了人類對物質結構及其相互作用的理解，量子力學理論也成為20世紀以來人類取得最為重要的科學成就。
計量科學在量子力學中佔有重要的地位。20世紀至今，已有20多項計量科學研究成果獲得諾貝爾物理學獎，還有70多項諾貝爾物理學獎的科學發現與計量測試技術密切相關。這些重要科學成就對20世紀中後期出現的科學進步浪潮和產業變革都產生了至關重要的作用，催生出無數新技術和新興產業，並把人類社會帶入全新的資訊時代。
●20世紀科學革命領頭羊——雷射技術
雷射的機理源於1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時的假說。隨著計量測試技術的發展，1950年，法國波爾多兩位中學教師發明了「光泵激」技術，這一技術後來被用來發射雷射。1960年，美國科學家梅曼發明了世界上第一臺紅寶石雷射器。這束僅持續了三億分之一秒的紅色雷射，標誌著人類文明的一個新時代來臨。雷射技術具有與電磁波相似性質，且頻率極其穩定。雷射技術的發明讓計量測試技術如虎添翼。1960年，長度計量的「米原器」時代被徹底終結，人類從此邁向「量子時代」。如今，雷射技術已廣泛應用於科學研究、通信、醫學、高準確度測長、精密製造等領域，被稱為「技術革命的領頭羊」。
●信息技術的支柱——傳感器
傳感技術可以追溯到1 000多年以前。公元132年，我國的張衡就發明了地動儀，能測量並感知地震的方向。19世紀後，隨著電學理論的形成，人們對電的認識不斷深化。1930年，美國科學家魯賓發明了溫度傳感器，也稱熱敏電阻，其電阻會根據溫度發生變化。隨後，各種傳感器被相繼發明出來。傳感器的發展共歷經了結構、固體和智能三個階段。如今，傳感器和通信、計算機成為現代信息技術的三大支柱。
傳感器是測量並獲取各種信息和實現自動控制的主要手段，能夠感知並獲取幾乎所有物理量參數和信息。進入21世紀後，傳感技術迅速地融入人類生產和生活的各個方面。如今，一部手機內就植入了數十至上百個傳感器，能對人體健康狀況、地形探測、視覺影像等多種參數進行測量。在物聯網的推動下，傳感技術的應用範圍正不斷擴大，已經遍布人類所有活動，發揮了改變世界的重要作用。
●引領21世紀產業革命——納米技術
納米是長度計量單位。1納米等於十億分之一米，相當於一根頭髮絲直徑的十萬分之一。研究證明，在0.1～100納米尺度範圍內，物質的性質會發生突變並出現特殊性能。納米技術自20世紀80年代開始研究並取得突破得益於一項重要發明——掃描隧道電子顯微鏡。通過這種計量測試儀器，人類可以直接觀察並操縱單個原子或分子，進而創造新的材料。納米技術不僅可以改變材料結構，還可以用於晶片製造等高端產業技術領域。當前，納米技術在醫療、健康以及生活等各方面的應用越來越廣泛。例如：將納米技術製造的納米機器人注入人的血管後，可以自動清掃沉積在血管上的血脂汙垢，使人的血管重新煥發青春;採用納米材料的功能服裝面料，雖然輕薄卻非常耐寒;納米食品包裝材料可以讓肉類在常溫下長期保鮮不變質;用納米石墨烯材料製造的汽車動力電池，充電幾分鐘就可以續航1000千米以上。在21世紀的前20年裡，納米技術的發展已經創造出許多高新技術產業，將不斷造福人類。
●空天技術應用——衛星導航定位
2020年6月23日，我國西昌衛星發射中心用長徵三號乙運載火箭成功將北鬥3號系統最後一顆衛星送入太空，標誌著我國北鬥衛星系統55顆衛星全球組網成功。1957年10月，當蘇聯成功發射世界上第一顆人造地球衛星後，美國霍普金斯大學兩位年輕學者在接收該衛星信號時，發現了衛星與接收機之間形成運動都卜勒頻移效應，並斷言這種效應可以用來導航定位。根據他們的建議，美國於1964年建成了世界上第一個衛星導航系統。此後，美國的全球衛星定位系統(GPS)在軍事、商用領域得到全面應用。利用衛星進行導航定位，其中的關鍵技術是在衛星上搭載的超高準確度原子鐘。這種精準的時間計量標準裝置由地面的時間頻率基準進行授時，準確度可以達到10-12或更高量級。隨著時間計量的準確度持續提高，衛星定位也更為精準。目前，全球衛星定位系統不僅可用於車輛、船舶等交通工具的導航或追蹤，還廣泛應用於工程測量、特大鋼結構吊裝、跨海橋梁基礎打樁定位等方面。衛星導航定位最早先被應用在軍事領域，如巡航飛彈通過衛星定位制導，可以精準打擊並摧毀數百公裡外的軍事目標，成為現代戰爭的利器。
當今世界，計量測試技術的應用領域極其廣泛，很難一一列舉。總結計量測試技術的前世今生，可以看到這項技術在科技、經濟和社會發展中具有舉足輕重的地位，不僅應用領域和範圍非常廣泛，也代表著一個國家科技與產業的實際競爭力。如今，計量測試技術已進入量子化階段，它將繼續孕育大量的新技術、新產業和新生態，並被聯合國定義為人類社會可持續發展的主要支柱之一。總之，量值定義世界，精準改變未來，計量測試技術帶來的變化將永無止境。
高健強，上海市計量協會重大項目部部長，高級工程師，國內計量領域知名戰略研究專家，曾主筆《量以載道》等多部計量科普專著，先後撰寫計量科普文章近千篇。
文/高健強
本文來自《張江科技評論》