國際計量日——國際單位制的定義方式與歷史

2021-03-01 科學公園

十八世紀時，米的定義是從北極到赤道經巴黎最短距離的一千萬分之一。選擇北極和赤道是為了給出一個客觀的參照點，選擇巴黎是由於當時法國在計量工作中的重要學術地位。國際單位制的縮寫不是ISU (International System of Units) 而是源於法語的SI，想必也跟這些歷史有關。國際單位制建立時，米的定義被更改為兩個特定量子能級之間躍遷所產生的電磁波波長的1650763.73倍（這兩個量子能級與秒定義中所使用的不同）。八十年代後，米的定義為光在一秒內行進距離的1/299792458。可見，現在米的準確定義依靠時間的準確定義。

我們簡單分析一下歷史上三個米的定義中涉及的常數。1/10000000是個整數，明顯是人主管賦予的，因為選擇一個整數是很自然的事情；然而選擇具體的1千萬，想必是為了方便使用——一個合適的單位需要照顧到經常的使用者——不太大也不太小。比如對於木匠，米就比公裡更好用。後來米的兩個常數都不是整數，這是為了與此前的定義大小保持一致——單位制新定義為了能讓所有人都接受，只能改變定義方式，而不應該改變具體值——如果以前沒有米的概念，現在新定義的話，也許就定義為光在一秒內行進距離的1/300000000了。

歷史上米的標準被稱為米原器，存放於法國國際計量院。米原器曾由兩種不同材料製成,是1799年到1960年間國際上的長度標準。測量從北極到赤道的距離可不是一件容易的事，我至今也沒搞明白具體是怎麼測量的。《大衍曆》的作者一行測量過子午線長度，方法聽起來困難，但技術上不複雜，可是北極到赤道的距離是否還需要考慮地面的坑窪不平？這個問題引申開去，是一個非常有意思的物理和數學問題，它被稱為「英國海岸線問題」。並且由此還在數學上創立了分形幾何這個新學科，在物理上提出了分數維度的概念（在我們熟知的一維二維三維等空間定義方式之外，還可以有介於分立的整數之外的分數維）。

米的定義方式由能級間躍遷產生輻射到改為一秒內光行進距離，我們可以考慮一下其中隱含的意義。在電動力學已經完全成熟的上世紀80年代，光速已經是一個被普遍接受的物理常數。如果維持米的量子躍遷定義，它與秒的量子躍遷定義是平行的，可以捨去其中一個而由光速將長度和時間聯繫在一起。因此，雖然現在米的定義來自秒，但在物理上這兩個量沒有先後之分。

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